Стан досліджень геліо- та вітроенергетичних ресурсів. Розглянуто історію та сучасний стан питань аналізу та оцінки геліо- та вітроенергетичних ресурсів. Виділено та проаналізовано основні типи робіт стосовно природних ресурсів відновлюваної енергетики. Автором використано наукові здобутки стосовно природних ресурсів для розвитку альтернативної енергетики (Волеваха М.М., Гойса М.І., 1967; Волеваха Н.М., Волеваха В.О., 1988; Васильєв Ю.С. , Хрисанов М.І., 1991; Дикий М.О., 1993; Кудря С.О., 2001; Шевчук В.Я. та ін., 2002; Боков В.О., Черваньов І.Г., 2004; Кузін О.К. та ін., 2004; Мазінов А.С., 2004), що містять загальну та спеціальну характеристику відновлюваних джерел енергії, методи їх використання та оцінки.
Оцінка та аналіз геліоенергетичних ресурсів території безпосередньо базуються на дослідженнях сонячної радіації, які на території України велись у напрямку деталізації аналізу просторово-часового розподілу показників сумарної, прямої та розсіяної радіації як за допомогою безпосередніх актинометричних спостережень, так і через виявлення факторів, що впливають на їх розподіл, а також встановлення зв’язків між ними та відповідними показниками сонячної радіації ( Гойса М.І., 1960; Прох Л.З., 1959; М.М. Волеваха, Гойса М.І., 1967; Гойса М.І., Дубина В.М., 1971; Дмитренко Л.В., 1991).
Вітроенергетичні ресурси значною мірою виходять із досліджень вітрового режиму території. Характеристику вітрового режиму країни представлено у роботах з Клімату України (Клімат України, 2003, Климат Украины, 1967, Природа Украинской ССР, 1984), на регіональному рівні характеризувались швидкості вітру над Чорним морем (Земляков В.М., 1965), на локальному – на рівні міст (Прох Л.З., Прохоренко В.М., 1982; Почапинський А.І., 1984) та інших роботах.
За вихідну методологічну тезу роботи автором узято положення про те, що геліо- та вітроенергетичні ресурси мають комплексну географічну природу. Тобто, на енергетичні характеристики останніх впливають не тільки метеорологічні показники, але й властивості підстильної поверхні. У дисертації обґрунтовано висновок, що доцільно проводити картографування та аналіз геліо- та вітроенергетичних ресурсів на рівні фізико-географічних областей, що робить його більш об’єктивним.
Уточнено й доповнено систему понять щодо геліоенергетичних та вітроенергетичних ресурсів. Геліоенергетичні ресурси (ГЕР) було визначено як природні енергоресурси, що являють собою закономірно-стохастичний процес надходження первинної енергії Сонця (енергії інсоляції), яка використовується або може бути використана для задоволення енергетичних потреб. Вітроенергетичні ресурси (ВЕР) визначено як природні енергоресурси, що являють собою закономірно-стохастичний процес руху повітря в певних умовах підстильної поверхні, який використовується або може бути використаний для задоволення енергетичних потреб господарства.
Як видове цього поняття було виділено поняття дійсного геліоенергетичного ресурсу (та відповідно – дійсного вітроенергетичного ресурсу) як такого, що являє собою теоретично можливу суму виробітку енергії сонячними батареями (вітроенергетичними установками) заданої встановленої потужності за різні періоди часу.
ГЕР та ВЕР доцільно використовувати сумісно у гібридних системах альтернативної енергетики. Саме доцільність їх комплексного використання досліджується у роботі, тому потрібно також запровадити поняття комплексного геліо-вітроенергетичного ресурсу. (КГВЕР). Необхідність запровадження такого поняття також спричинена тим, що спільне використання декількох ресурсів створює певний ефект емерджентності, тобто сума двох (чи більше) ресурсів, узятих кожний окремо, інша, аніж ефект від їх спільного використання в єдиній енергоустановці – гібридній системі. Цей ефект проявляється в тому, що динаміка комплексного енергоресурсу буде іншою від динамік ГЕР та ВЕР протягом різних періодів часу. Відповідно до попереднього, дійсні комплексні геліо-вітроенергетичний ресурси визначаємо, як теоретично можливу суму виробітку енергії гібридною системою, що складається з сонячних батарей та вітроенергетичних установок заданої встановленої потужності за різні періоди часу (добу, місяць, рік).
Геліоенергетичні ресурси України. В роботі представлена оцінка геліоенергетичних ресурсів для прямого отримання електричної енергії за допомогою сонячних батарей. истемами будь-якої орієнтації та нахилу. Користуючись цією методикою та програмою, за показниками прямої та розсіяної радіації у точках актинометричних спостережень було розраховано дійсні геліоенергетичні ресурси. Користуючись методом обчислення сонячної радіації за допомогою показника тривалості сонячного сяйва, обґрунтованого у роботах М.І. Гойси [1959, 1967], було розраховано залежності між місячними та річними показниками тривалості сонячного сяйва та дійсними геліоенергетичними ресурсами у точках актинометричних спостережень, далі на основі цих залежностей було обчислено дійсні геліоенергетичні ресурси для станцій, де здійснюються спостереження за геліографом. За отриманими значеннями шляхом нелінійної інтерполяції побудовано статистичні поверхні розподілу дійсних ГЕР за рівнинною територією України.
Для проведення географічного аналізу просторово-часового розподілу дійсних ГЕР на основі вищевказаних поверхонь було розраховано місячні та річні значення ресурсів за фізико-географічними областями країни та складено відповідну карту спираючись на схему фізико-географічного районування України (Маринич О.М., Шищенко П.Г., 2003), де фізико-географічна область є азональною фізико-географічною одиницею зручною для просторової диференціації, вітро та геліоенергетичних ресурсів узятих разом, щоб можна було порівняти їх розподіл.
Просторовий розподіл дійсних ГЕР за територією України збільшується від 80 кВт*год/рік у Поліссі до 100 кВт*год/рік у Кримському степовому краї. Взагалі для геліоенергетичних ресурсів характерним є широтний хід, проте спостерігаються деякі його порушення, що спричинені переважно особливостями прозорості атмосфери, зокрема хмарності. Тому річний хід дійсних ГЕР взагалі нагадує річний хід сумарної радіації, проте існують деякі відмінності: менша мінливість надходження радіації по сезонах року порівняно з надходженням радіації на горизонтальну поверхню, яка виражається у понижених значеннях літніх максимумів та підвищених - зимових мінімумів; менші контрасти у широтному розподілі порівняно з актинометричними спостереженнями, зокрема, значне порушення широтного розподілу досліджуваних показників через збільшення впливу на нього атмосферних факторів.
Аналіз динаміки геліоенергетичних ресурсів показує, що останні змінюються протягом року від 2 кВт*год у грудні до 12 кВт*год у липні на 1 м2 приймаючої поверхні. Автором складено модель просторово-часового розподілу ГЕР по території України протягом року і складено відповідні картодіаграми – часові зрізи, що свідчать про суттєві просторово-часові розбіжності у кількісному розподілі цього ресурсу у межах території України.
Вітроенергетичні ресурси України. Для проведення географічного аналізу (аналогічно до геліоенергетичних ресурсів) просторово-часового розподілу дійсних ВЕР було розраховано місячні та річні значення цієї величини за фізико-географічними областями країни та складено відповідну карту. За райони, в межах яких розподіл ВЕР буде в потрібній мірі однорідним на мезорегіональному рівні, обрано фізико-географічні області, через те, що останні з одного боку характеризують однорідні риси підстильної поверхні (рослинність, гіпсометрична будова тощо), а з іншого боку за ними можна наглядно відобразити просторові зміни досліджуваної величини в межах рівнинної території України.
Для аналізу впливу чинників фізико-географічного характеру на кількісні характеристики вітроенергетичних ресурсів за розподілом останніх методом кластерного аналізу було проведено типологію фізико-географічних областей України. Було використано наступні показники: баричний градієнт, інтенсивність циклонічної діяльності, турбулентний обмін, лісистість, середня абсолютна висота, глибина розчленування рельєфу. Значення цих показників було узято та розраховано для кожної фізико-географічної області за допомогою атласу Природних умов і природних ресурсів України (1978).
Просторовий розподіл річних дійсних вітроенергетичних ресурсів складає від 800 на північному заході до 2000 кВт*год/рік на північному сході країни. Для місячних дійсних вітроенергетичних ресурсів характерні також значні амплітуди: від 80 до 350 кВт*год відповідно у липні-серпні та грудні-січні.
Для уявлення про можливість застосування картосхем дійсних вітроенергетичних ресурсів було проведено порівняння розрахункових даних з даними практичного виробітку енергії. Як приклад розрахунку було використано дані про фактичний виробіток енергії конкретною ВЕУ у порівнянні з дійсним вітроенергетичним ресурсом обчисленим за кліматичними даними. Були взяті дані виробітку енергії вітроенергетичної установки ВЕУ-075, що встановлена на березі р. Дніпро біля м. Київ. Останні були порівняні з теоретичними даними, розрахованими за даними спостережень ближчої метеорологічної станції, та показали порівнянність результатів в межах мінливості ресурсу в залежності від локальних ефектів та змін місячних сум протягом різних років.
Розрахунок дійсних вітроенергетичних ресурсів у роботі проводився для конкретного типу вітроустановок ВЕУ-075. Для ВЕУ-075 розрахункова швидкість складає 7,5 м/с, розрахункова потужність – 750 Вт. Вихідні дані по швидкостях вітру спочатку було приведено до однієї відносної висоти, що складає 11 м, за допомогою методики викладеної у роботі Зубарева В.В. та ін. (1989). Було розраховано суми виробітку енергії ВЕУ-075 за матеріалами спостережень швидкості й часового розподілу вітру метеорологічними станціями України. На основі розрахунків дійних ВЕР за метеостанціями було складено відповідні картосхеми розподілу останніх по місяцях та протягом року, що дає лише його наближену оцінку (через реальну просторово-часову мінливість показників).
в умовах м. Харкова). Для дослідження природних передумов комплексного використання сонячної та вітрової енергії в Україні автором було проаналізовано динаміку виробітку енергії сонячною та вітровою установкою, що разом з акумулюючими потужностями являють собою приклад ГГВЕС альтернативної енергетики в умовах м. Харкова. Така експериментальна система функціонує у Лабораторії комп’ютерних технологій та альтернативної енергетики Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна.
Для аналізу динаміки виробітку енергії сонячною та вітровою установками автором було створено комп’ютерну програму, що фіксує та зберігає значення показників функціонування гібридної системи з інтервалом 5 секунд. За допомогою цієї програми автором було зібрано та проаналізовано дані стосовно динаміки потужності сонячної та вітрової установок та швидкості вітру за період з травня 2005 р. до квітня 2006 р. включно. Дані представлено у вигляді графіків, що відображають динаміку виробітку енергії сонячною та вітровою установками, а також швидкість вітру з інтервалом осереднення їх значень у 30 секунд (рис. 1). Осереднена потужність вітроустановки за 30 с. відображається точками (нижній графік).
Рис. 1. Приклад представлення даних ГГВЕС ХНУ
На основі зібраних даних було проведено класифікацію діб за добовими співвідношеннями геліо- та вітроенергетичних ресурсів (ДСГВЕР). Встановлено наявність 4 типів співвідношень останніх:
1 тип. Доба, протягом якої геліо- та вітрові ресурси є значними. Такий тип спостерігається, у багатьох випадках, коли змінюється режим погоди. Відповідно до цього у такий день і сонячна, і вітрова установка можуть виробити достатню кількість енергії.
2 тип. Доба, коли значними є ГЕР, а ВЕР є мінімальним. Такому типові відповідають дні з характерною антициклонічною погодою. Тобто сонячні батареї ефективні, а ВЕУ – ні.
3 тип. Доба зі значними ВЕР та мінімальними ГЕР. Це дні з інтенсивною циклонічною діяльністю, періоди проходження холодних фронтів та фронтів оклюзії. Ефективні лише ВЕУ.
4 тип. Доба, коли ГЕР і ВЕР є одночасно мінімальними. Спостерігається, при проходженні теплих фронтів та при розвитку мікроциркуляційних процесів, особливо за інверсії температури приземного шару повітря. У такий день ні ВЕУ, ні СБ не можуть забезпечити виробіток необхідної кількості енергії.
Виділені типи розподілу добових співвідношень геліо-вітроенергетичних ресурсів мають різну повторюваність протягом кожного місяця. На рис. 2 показано розподіл типів ДСГВЕР по місяцях.
Рис.2. Повторюваність типів добових співвідношень геліо- та вітроенергетичних ресурсів по місяцях (за даними моніторингу ГГВЕС ХНУ)
Для більш повного аналізу природних передумов комплексного використання геліо- та вітрових енергетичних ресурсів автором було обчислено розрахункові значення добових сум виробітку енергії сонячною та вітроенергетичною установками вищезгаданих типів за період з 1999 по 2005 роки включно на основі даних спостережень за швидкістю вітру та тривалістю сонячного сяйва на метеорологічній станції м. Харкова. Останні також показують, що найбільша повторюваність притаманна дням зі значними геліо- або вітроенергетичними ресурсами, а найменша – з максимальними або мінімальними показниками одночасно геліо- та вітроенергетичних ресурсів. Отже, існує часова антисиметрія надходження сонячної та вітрової енергії, що зумовлює виникнення згаданої емерджентності комплексного ресурсу. Авторові видається очевидною доцільність у подальшому такого аналізу стосовно до кожної одиниці фізико-географічного районування території України.
. Запропоновано дві моделі оптимізації використання ГЕР та ВЕР та подано оптимальні співвідношення встановлених потужностей сонячних та вітроустановок для кожної фізико-географічної області, що дозволяють забезпечити стійке природно-ресурсне постачання для гібридних геліо-вітроенергетичних систем.
Перша оптимізаційна модель побудована за умови, що річний розрахунковий виробіток енергії сонячними батареями та вітроустановкою мають приблизно дорівнювати один одному. Проте розрахунки за нею показали, що на більшій частині території країни можна досягти кращої оптимізації, використовуючи інші вихідні умови.
Друга оптимізаційна модель базується на вимозі максимізації використаної енергії через критерій мінімуму надлишкової енергії задля максимально можливої стабілізації місячного виробітку енергії. Для кожної фізико-географічної області було розраховано надлишкову енергію (у процентах до загальної енергії, що її теоретично спроможна виробити ГГВЕС), для широкого ряду можливих співвідношень встановлених потужностей сонячних батарей до вітроустановки. За отриманими значеннями було побудовано карту (рис.3), що подає характеристики оптимального комплексного використання ГЕР та ВЕР для кожної фізико-географічної області рівнинної території України.
За величиною використаної енергії на карті виділено три рівня придатності областей для комплексного використання ГЕР та ВЕР у ГГВЕС – високим рівнем характеризуються області з максимальною мірою антисиметричності режимів ГЕР та ВЕР. У більшості випадків спостерігається компенсація у гібридній системі мінімумів і максимумів продукування енергії геліо- та вітроагрегатами, що здатне стабілізувати енерговиробництво, що є доказом емерджентності КГВЕР по відношенню до суми ГЕР і ВЕР.
Співвідношення ГЕР та ВЕР у енергозабезпеченні гібридних систем відображені на карті круговими картодіаграмами. Збільшуючи встановлені потужності сонячних батарей та вітроустановки у вказаному на карті оптимальному їх співвідношенні, можна збільшити добове споживання у необхідну кількість разів.
Для визначення можливостей використання результатів оцінки ресурсів було проведене порівняння динамік дійсних енергоресурсів у природних умовах м. Харкова для 4 типів альтернативних установок, що мають порівняльні річні суми розрахункового виробітку енергії. На рис. 4 представлено динаміку розрахованих дійсних енергоресурсів по місяцях для середніх багаторічних (на рисунку – навпроти риски КС), а також для 1999-2005 років, що обчислені за даними добових дійсних ГЕР і ВЕР для умов м. Харкова.
Рис. 3. Оптимізація комплексного використання геліо- та вітроенергетичних ресурсів України
Видно, що рис. в), г) мають більш монотонний рельєф. Мінливість місячних сум дійсних ГЕР (обчислено через коефіцієнт варіації) складає 48%, дійсних ВЕР – 27%, дійсних КГВЕР за першою оптимізаційною моделлю - 21%, за другою – 16%. Тобто, існує значне зменшення мінливості КГВЕР у порівнянні з окремо взятими ГЕР і ВЕР, що визначає КГВЕР як ресурс, що відрізняється від ГЕР та ВЕР емерджентною властивістю стабілізації динаміки асиміляції природної енергії.
Рис. 4. Динаміка розрахованих ресурсів для а) сонячних батарей; б) вітроенергетичної установки; в) гібридної системи за першою оптимізаційною моделлю; г) гібридної системи за другою оптимізаційною моделлю.
Річні суми ГЕР та ВЕР змінюються в межах 10 та 20% відповідно. Місячні суми ГЕР та ВЕР у однакові місяці різних років також значно змінюються: ГЕР – до 60% у зимові місяці, ВЕР – до 45% та майже не залежить від періодів року, КГВЕР за двома оптимізаційними моделями – 40% у зимові місяці. Водночас, це тепер вже характеризує КГВЕР як джерело більш стабільного енергопостачання не тільки протягом року, але й протягом багаторічних періодів.
Для ГЕР і ВЕР характерна антисиметрія динамік місячних сум ресурсів, проте літні максимуми ГЕР та зимові – ВЕР є зміщеними у бік весняного періоду, що спричиняє максимуми дійсних КГВЕР у цей період при мінімальній різниці зимових та літніх сум. Крім того потрібно відмітити, що для грудня місяця характерні значні коливання надходження сонячної радіації, що можуть більше ніж удвічі перевищувати середні кліматичні показники, тому мінливість дійсних ГЕР для грудня є значно більшою ніж зазначено вище.
Згідно з динамікою виробництва та споживання енергії, було розраховано максимально можливе добове споживання енергії від досліджуваних установок із забезпеченістю у 95%, тобто на протязі 1999-2005 років можливим було споживання енергії від установок приблизно протягом 347 діб кожного року. Було отримано наступні значення добового споживання енергії: для ВЕУ встановленою потужністю 1500 Вт – 5 кВт*год; для СБ встановленою потужністю 3000 Вт – тільки 1,5 кВт*год; для гібридної системи за першою оптимізаційною моделлю – 6,5 кВт*год; для гібридної системи за другою оптимізаційною моделлю – 5,5 кВт*год.
Таким чином, за допомогою оптимізаційних моделей, запропонованих автором ми можемо стабілізувати виробництво енергії на рівні місячних та добових сум виробітку електричної енергії, за рахунок оптимізації комплексного використання геліо- та вітроенергетичних ресурсів з урахуванням антисиметрії їх надходження та емерджентності КГВЕР.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі виконано теоретичне узагальнення та нове вирішення проблеми мінливості геліо- та вітроенергетичних ресурсів на рівнинній території України, що досягається за рахунок їх комплексного використання у гібридних геліо-вітроенергетичних системах.
Основні висновки наступні.
1. Доповнено термінологічний апарат вчення про природні ресурси альтернативної енергетики поняттями дійсних ГЕР, ВЕР а також КГВЕР. Поняття дійсних енергоресурсів визначено через суми виробітку електроенергії енергоустановкою, котрі обумовлюються наявністю та режимом надходження природного джерела енергії і означають реальну можливість її асиміляції енергоустановкою з певними технологічними параметрами.
2. Встановлено наявність надійних передумов сталого природно-ресурсного забезпечення гібридних геліо-вітроенергетичних систем на території України.
3. Запропоноване використання гібридних геліо-вітроенергетичних систем як доцільної форми комплексного використання геліо- та вітроенергетичних ресурсів. Доведено, що використання таких гібридних установок забезпечує ефект, кращий за суму ефектів геліо- та вітроресурсів, використовуваних окремо, що свідчить про емерджентність КГВЕР.
4. Здійснено моніторинг (протягом року) за роботою ГГВЕС кафедри географічного моніторингу і охорони природи ХНУ ім. В.Н. Каразіна, налагоджено автоматичну обробку результатів і створено відповідну базу даних. Шляхом математичного моделювання на основі фактичного матеріалу функціонування еталонної ГГВЕС показано, що за допомогою гібридної системи, яка складається з сонячних батарей встановленою потужністю 1050 Вт, вітроустановки ВЕУ-075 (750 Вт) та потужних акумуляторних батарей, що спроможні зберігати енергію до 18 кВт*год, можливо забезпечити стійке щодобове енергоспоживання у 5,5 кВт*год.
5. За фізико-географічними областями України розраховані оціночні показники дійсних геліо- та вітроенергетичних ресурсів, та засобами ГІС-технологій побудовані статистичні поверхні просторово-часового розподілу дійсних ВЕР, ГЕР та КГВЕР (80 картосхем). Оцінка та аналіз геліоенергетичних ресурсів показують незначні зміни дійсних геліоенергетичних ресурсів (для встановленої потужності 100 Вт): від 80 на у Поліссі до 100 кВт*год/рік у Кримському степовому краї. Проте характерні значні амплітуди місячних розрахункових сум виробітку енергії: від 2 до 11 кВт*год відповідно у грудні та липні. Оцінка та аналіз вітроенергетичних ресурсів дають значно більш мінливі значення.
6. Здійснено оцінку мінливості дійсних ГЕР, ВЕР та КГВЕР. Річні суми ГЕР та ВЕР змінюються у межах 10 та 20% відповідно. Мінливість місячних сум ресурсів для однакових місяців різних років складає для ГЕР – 60%, ВЕР – 45% та КГВЕР – 40%. Середня мінливість місячних сум ресурсів складає для ГЕР – 48%, для ВЕР – 27%, для КГВЕР – до 21%, що показує зменшення мінливості ресурсу при комплексному використанні ГЕР та ВЕР та складає головну характеристику емерджентності КГВЕР.
7. Для кожної фізико-географічної області методом балансового моделювання обґрунтовано й розраховано найбільш стійке природно-ресурсне забезпечення гібридних геліо-вітроенергетичних систем, а методом математичного моделювання визначено оптимальні співвідношення встановлених потужностей сонячних батарей та вітроустановки для ГГВЕС.
8. Встановлена й промодельована антисиметрія динамік геліо- та вітроенергетичних ресурсів характерна в цілому для території України. Вона має просторові особливості, що спричиняють необхідність розрахунків оптимального співвідношення встановлених потужностей сонячних та вітрових установок для кожної фізико-географічної області. Розрахункові моделі показують, що таке співвідношення змінюється в межах рівнинної території країни від 0,5/1 до 2/1 відповідно встановленої потужності сонячних батарей до вітроустановки. | 
