Вітроенергетичні ресурси України в сучасних кліматичних умовах

Ошурок Д.О. Вітроенергетичні ресурси України в сучасних кліматичних
умовах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за
спеціальністю 11.00.09 – метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. –
Український гідрометеорологічний інститут Державної служби України з
надзвичайних ситуацій та Національної академії наук України. Київський
національний університет імені Тараса Шевченка, Міністерство освіти і науки
України, Київ, 2020.
Дисертаційна робота присвячена дослідженню сучасного стану
вітроенергетичних ресурсів на території України з використанням
спеціалізованого метеорологічного забезпечення та емпіричної метеорологічної
інформації, зібраної за кліматологічний період 1981–2010 рр.
В останні роки спостерігається швидкий розвиток вітрової енергетики,
пов’язаний з активним переходом людства на відновлювані джерела енергії.
Проте вітер є надзвичайно мінливою величиною у просторі та часі, що зумовлено
впливом великої кількості факторів, серед яких важливою є не лише структура
баричного поля, але й рельєф, тип підстильної поверхні та сезонні і добові
коливання. Тому оцінювання просторового-часового розподілу швидкості й
напряму вітру, необхідної інформації для виробників вітрової енергії, є складною
задачею, що потребує залучення спеціальних методів моделювання, які б
враховували вище перелічені чинники.
Метою дослідження є проведення оцінювання сучасного стану
вітроенергетичних ресурсів на території України.
Об’єктом дослідження є вітровий режим на території України у період з
1981 по 2010 роки.
Предметом дослідження є просторово-часовий розподіл швидкості,
напряму та енергетичного потенціалу вітру.






3



На початковому етапі дослідження проведено аналіз просторово-часового
розподілу швидкості й напряму вітру на території України за сучасний
кліматологічний період (1981–2010 рр.) на основі строкових даних вимірювань
мережі метеостанцій. Карти середнього результуючого вектору приземного
вітру зіставлено з осередненими даними тиску на рівні моря. Осереднення та
аналіз проведено як за весь період дослідження, так і у розрізі сезонів (на основі
багаторічного масиву даних за 4 окремі місяці). Розглянуто інші чинники, що
впливають на формування поля вітру, а також види місцевої циркуляції в
Україні. З метою більш детального аналізу вітрового режиму відібрано 12
станцій з мінімальною закритістю горизонту, розташованих у різних фізико-
географічних зонах – зоні мішаних лісів (Сарни, Чернігів), лісостепу (Вінниця,
Суми), степу (Миколаїв, Донецьк, Мисове), Карпатах (Ужгород, Плай, Міжгір’я)
та Кримських горах (Ай-Петрі, Нікітський Сад).
Відповідно до просторового розподілу середнього результуючого вектору
вітру, переважаючими у західній та північній частині України є вітри західних
румбів, на сході – східних напрямів, а на півдні – північних. Даний розподіл
добре узгоджується із середніми багаторічними розами вітрів. У гірських
районах та прилеглих територіях рози вітрів мають орографічний характер, який
найбільше виражений у гірських долинах. На Південному березі Криму
додатковим вагомим чинником є направленість бризу.
З огляду на деякі розраховані статистичні характеристики вітрового
режиму, найбільша середня річна швидкість, ~5–5.5 м/с, характерна для вершин
Карпат, Кримських гір та підвищених ділянок узбережь Чорного і Азовського
морів. Високогірні райони також характеризуються найбільш мінливим вітровим
режимом. На рівних відкритих ділянках степу дана величина становить 3.5–4.5
м/с, лісостепу – 3.5–4 м/с, а у зоні мішаних лісів коливається в межах 2–3.5 м/с.
Середні швидкості 2–2.5 м/с спостерігаються на Закарпатській низовині та
Південному березі Криму. Найменші середні значення, 1 м/с і менше, мають
місце у щільно закритих гірських долинах Карпат. Частота штилю у даних
районах може перевищувати 60%. Слід зазначити, що на усіх вибраних станціях,






4



крім Ужгорода, вітер швидкістю >6 м/с припадає здебільшого на переважаючі
напрями.
Сезонні зміни основних статистичних характеристик швидкості вітру, а
саме її середнього значення та середнього квадратичного відхилення,
розрахованих для кожного місяця року, є подібними. Їх максимум
спостерігається у січні або лютому, а мінімум – у серпні. Проте окрім станцій
гірського Криму, амплітуда річного ходу середнього квадратичного відхилення
є меншою у порівнянні з річною амплітудою середньої швидкості.
Добові коливання швидкості вітру виражені найбільше у весняно-літній
період, а найменше – узимку. Максимальні швидкості припадають зазвичай на
денні години, а мінімальні – на нічні або вранішні. Для гірських вершин
характерний практично зворотний добовий хід. У районах з бризовою чи гірсько-
долинною циркуляцією характер добових змін швидкості вітру значно
змінюється упродовж року.
Основним інструментом для розрахунку полів вітру з високою
просторовою і часовою роздільною здатністю слугувала діагностична
мезомасштабна модель CALMET, яка є метеорологічним препроцесором
дифузійної моделі CALPUFF. У ході підготовки вхідної наземної
метеорологічної інформації для CALMET, здійснено обробку строкових даних
станцій за період 1981–2010 рр., що полягала у проведенні контролю якості
даних, виправленні помилкових значень, заповненні пропусків за розробленою
методикою, часовій інтерполяції та переведенні даних до спеціального
CALMET-сумісного формату. У якості вертикальної вхідної інформації
використано та проведено обробку даних реаналізу ERA-Interim з просторовою
роздільною здатністю 0.25  0.25 та часовою дискретністю 4 рази за добу на
17-ти вертикальних рівнях від земної поверхні до ізобаричної поверхні 500 гПа.
За результатами виконаної обробки сформовано цифрову базу строкових
даних 12-ти метеорологічних показників на 207 станціях України та архів
вертикальних профілів характеристик вітру та температури повітря і точки роси
за період 1981–2010 рр.






5



Верифікація метеорологічної моделі CALMET проведена у чотирьох
областях моделювання з різним рельєфом та типом ландшафтів – у Київській,
Дніпропетровській, Закарпатській областях та АР Крим. У кожній області
дослідження виконано вісім тестових розрахунків із заданням різних значень
контролюючих параметрів моделі. Моделювання проведені упродовж 1 року
(2007 р.) з просторовим кроком 2.5 км на горизонтальних рівнях з висотами від
10 м до ~1.5 км над земною поверхнею. Для оцінки точності розрахованих
компонент та модуля швидкості вітру на приземному рівні (10 м) використано
строкові дані станцій Київ, Кривий Ріг, Плай і Алушта за весь рік. Точність
вертикальних профілів оцінено на основі даних радіозондувань на аерологічних
станціях Київ, Кривий Ріг, Ужгород та Сімферополь за 4 місяці – січень, квітень,
липень та жовтень. Порівняння змодельованих та фактичних даних базується на
розрахунку наступних статистичних показників та метрик: систематична
похибка, середнє абсолютне відхилення, середня квадратична похибка,
коефіцієнт кореляції Пірсона, індекс узгодженості та фактори 2-х і 5-ти.
На приземному рівні модель демонструє кращу точність при відтворенні
полів вітру у відносно рівнинних районах. В умовах складного рельєфу та
місцевої циркуляції на ефективність моделі різко впливає просторова щільність
мережі пунктів вимірювання. Візуальний аналіз часових рядів на станції Плай
підтверджує певні проблеми з відтворенням пікових значень компонент вітру.
Виявлено, що розбіжності у точності розрахованих значень вітру у рамках
окремої області моделювання зумовлені переважно заданням вагових
коефіцієнтів (підгоночних/контролюючих параметрів моделі) для вхідних даних
наземних станцій та даних радіозондувань/реаналізу.
Відмінності результатів моделювання з різними значеннями
контролюючих параметрів простежуються лише на нижніх кількасот метрах.
Точність розрахунків зі збільшенням висоти загалом зростає. Також виявлено,
що на точність відтворення вертикальних профілів швидкості вітру впливають
передусім розбіжності між вхідною інформацією на висотах, узятою з реаналізу
ERA-Interim, та вимірами аерологічних станцій.






6



Розрахунок полів вітру на усій території України за період дослідження
проведено з просторовим кроком 2.5 км та 1-годинною часовою дискретністю на
шести висотах – 10, 40, 80, 120, 160 і 200 м. У процесі розрахунку задано 25
окремих прямокутних доменів, приурочених до адміністративних областей, де
розрахунки проводились окремо з використанням різних наборів значень
контролюючих параметрів моделі. Об’єднання розрахованих полів у єдину
розрахункову область та згладжування даних у зонах перекриття виконано на
кожному часовому кроці з допомогою процедури гармонізації. На основі
отриманого багаторічного масиву даних розраховано осереднені поля швидкості
вітру, питомої потужності вітру (вітроенергетичного потенціалу) та
повторюваності швидкості в інтервалі 3–25 м/с. Слід зауважити, що у зв’язку зі
складністю коректного врахування висоти шорсткості ( z0 ) на метеостанціях, усі
використані у розрахунках строкові виміри швидкості вітру було приведено до
умов відкритої місцевості, а підстильна поверхня задана відповідно до
однорідних умов шорсткості ( z0  0.1 м).
Згідно отриманих оцінок, запаси вітрової енергії на висоті 10 м є
достатніми для ефективного використання вітрогенераторів малої потужності на
більшості території України. На передгір’ї і долинах Карпат, Південному березі
Криму та переважній більшості Полісся, де вітроенергетичний потенціал
становить <30 Вт/м2, економічно доцільно розглядати автономні установки для
приватних господарських потреб. Перспективними для встановлення
великогабаритних турбін номінальною потужністю >1 мВт є Керченський і
Тарханкутський п-ови, прибережні райони Азовського моря у Запорізькій та
Донецькій областях, локальні підвищення рельєфу на території Донецького
кряжу, Приазовської, Подільської та Волинської височин, гірські хребти Карпат
та Кримські яйла. Середній річний вітроенергетичний потенціал у цих районах
на висоті 80 м перевищує 200 Вт/м2, а на 200 м – понад 350 Вт/м2. Проте у
високогірних районах, повторюваність робочих швидкостей більшості агрегатів
оцінена в цілому нижчою у порівнянні з рівнинною частиною України.






7



Амплітуда сезонних змін питомої потужності вітру залежить не лише від
вертикального рівня. Розмах коливань на гірських вершинах і хребтах та,
меншою мірою, на локальних підвищеннях рельєфу більший порівняно з рештою
територій, а у прибережних районах морів ця величина відносно незначна.
Основні результати дисертаційного дослідження графічно представлені у
Атласі вітроенергетичних ресурсів України, який містить карти полів швидкості
вітру та вітроенергетичного потенціалу на 6-ти вертикальних рівнях над земною
поверхнею (10, 40, 80, 120, 160 і 200 м), осереднені за 30-річний період
(інформація актуальна для умов відкритої місцевості), та кліматологічну
інформацію про вітровий режим на метеорологічних станціях: гістограми
частотного розподілу швидкості вітру, рози вітрів, графіки річного ходу
швидкості та її середнього квадратичного відхилення та графіки добового ходу
швидкості у січні, квітні, липні та жовтні.
Ключові слова: вітровий режим, вітроенергетичні ресурси,
метеорологічний препроцесор CALMET, база даних.