Ресурсный потенциал волновой энергии на острове Гызыhлсув в Каспийском море

Туркменистан активно проводит всеобъемлющие реформы и преобразования, способные обеспечить устойчивый рост АПК на долгие годы вперед. Сегодня выдвигаются новые задачи по устойчивому развитию экономики, которые основаны на использовании современных и инновационных технологии в производственных структурах АПК [1].

Для решения этих задач реализуются национальные программы, планы, концепции и разрабатывается законодательная база для дальнейшего развития страны. Одним из них является Закон Туркменистана «О возобновляемых источниках энергии» (ВИЭ). Он определяет правовую, организационную, экономическую, социальную и финансовую основы, механизмы регулирования отношений государства, производителей, поставщиков и потребителей ВИЭ. оборудования для производства, установок и технологий для использования ВИЭ.

Энергия волн является одним из видов возобновляемой энергии, с использованием которой в морском энергетическом секторе Туркменистана с помощью различных энергетических технологии и установок можно получить электроэнергию от энергии волн и течения приливов и отливов, тепловую энергию за счёт градиента концентрации соли в воде на заливе Кара-Богаз-Гол (методика «солнечных прудов»).

На территории Туркменистана в Каспийском море имеется остров Гызылсув, где энергоснабжение децентрализовано и приходится завозить органическое топливо. Использование энергии волн будет приоритетным, экологически чистым и экономически выгодным вариантом энергоснабжения [2-4,7-9].

При проектировании и строительстве инженерных сооружении, в данном случае волновой электростанции и энергообеспечении децентрализованных малонаселённых пунктов, существует необходимость в составлении технико-экономического обоснования (ТЭО) для прогноза эффективности выработки электроэнергии для потребителя.

Цель работы - рассчитать волновые ресурсные энергетические потенциалы острова Гызылсув в Каспийском море для разработки, создания и внедрения различных технологических установок для устойчивого развития острова Кызыл сув.

Задача исследования - способствовать созданию новых рабочих мест, укреплению экономического положения и улучшению социально-бытовых условии жителей острова, а также расширению социально-экономических возможностей, включая поставку электроэнергии в другие рыночные сегменты, связанные с морем, например аквакультуру, опреснительные заводы и системы охлаждения, одновременно уменьшая потребность в органическом топливе.

Научная новизна - проделан гидродинамический анализ на основе многолетних гидрометеорологических наблюдений в юго-восточной части акватории Каспийского моря и проанализирована ее сезонная изменчивость применительно для острова Гызылсув, рассчитан энергетический потенциал морской волны для получения экологически чистой энергии с использованием различных видов установок.

Исходя из вышепоставленных задач, при проведении научно-исследовательской работы проанализированы гидродинамические и гидрометеорологические особенности Каспийского моря на побережье Туркменистана. За основу методологических исследований взяты данные Единой государственной системы информации об обстановки в мировом океане (ЕСИМ), математическими методами рассчитан ресурсный потенциал волновой энергии, рассмотрены возможности получения разнообразной энергии с использованием различных энергоустановок.

Гидрометеорологические и гидродинамические особенности острова. Остров Гызылсув находится в Каспийском море в 40 км от города Туркменбаши, с населением около 1000 человек. Остров расположен на южной оконечности Красноводской косы (39°47' с. ш.—53°00’ в.д), на юго-востоке Туркменбашинского залива В советский период население острова занималось ловлей и переработкой рыбы, там находился рыбокомбинат, судоремонтная станция и существовал колхоз «Каспий» с сейнерским парком.

Температурный режим воды острова изменяется по сезонам года, средняя температура воды колеблется от 3,3 до 26,1 °C. Средняя температура воды в мае составляет 20,4 °C и по октябрь месяц держится до 22,3 °C, затем снижается до 3,3 °C в январе. В мелководной части острова с минимальной температуры в апреле— мае происходит быстрый прогрев вод моря, например, в августе температура воды в мелководной части острова может достигать +32 °C [12,15]. На рисунке 1 приведены: распределение среднего потенциала волновой энергии, средней скорости ветра и средней температуры воды на острове Гызылсув в Каспийском море в течение года по месяцам года.

Ветровой режим. Из-за большой меридиональной протяженности Каспийской акватории температура воды и ветровой режим разнообразны. Они обусловлены различиями природно-климатических условий и различными типами атмосферной циркуляции. Это приводит к тому, что при каждой из рассматриваемых синоптических ситуаций температура воды и воздуха, направление течения воды, скорость ветра изменяются в различных пределах [5-9,12,14].

Рисунок - 1 Распределение среднего потенциала волновой энергии (кВг м). средней скорости ветра (м/с) и средней температуры морской воды (°C) Каспийского моря по месяцам года на острове Гызылсув

Аналитический обзор показывает, что штормовой режим ветров формируется по разному, в зависимости от характера циркуляции атмосферы и рельефа местности. Средняя скорость ветра на острове меняется от 3,4 до 4,8 м/с. средняя скорость за год равна 4,0 м/с. Сильные штормовые ветра на острове отмечаются, когда скорость ветра достигает 25 м'с и более.

Роза ветров на острове составляет: 13% - северо-северо-западный; 12%-восточно-юго-восточный, 8% - северо-северо-восточный; 4% - северо-западный. Карта направлений ветровых потоков (стрелками) и скорости ветра (м/с) острова Гызылсув в Каспийском море в зимний период года приведена на рисунке 2.

При скорости ветра 5-10 м/с волны на мелководье усиливаются до высоты 5 м. с периодом 10 с и длиной 85 м. В районе свала глубин отмечаются волны высотой 2 м, южнее высота их увеличивается до 4 м и более [7-9,2,15].

Рисунок - 2. Карта направлений ветровых потоков (стрелками) и скорости ветра (м/с) острова Гызылсув в Каспийском море в зимний период года.

Состав морской воды. Солевой состав вод Каспийского моря отличается от океанского н тем. что солес одержание в три раза меньше. Имеется значительное различие в соотношениях концентраций солеобразующих ионов, особенно в процессе метаморфизации морской воды. Материковые стоки приводят к уменьшению содержания хлоридов в морской воде, но при этом содействуют увеличению количества карбонатов, сульфатов, кальция. Наиболее консервативными ионами моря являются калий, натрий, хлор и магний. В среднем, минерализация в мелководных водах может достигать 60—100 г/кг соли [2-5, 7,9].

С 2013 году в стране реализуются задачи по возрождению этого острова, развивается туризм. Основным проблемами острова являются дефицит питьевой воды, отсутствие постоянного электроснабжения, тяжёлые климатические условия, слаборазвитая инфраструктура, отсутствие постоянной работы, трудные социально-бытовые условия населения.

Методология и методика исследования. За основу методического исследования были взяты данные Единой государственной системы информации об обстановке в мировом океане (ЕСИМ). На основе данных ЕСИМ о потоке волновой энергии были рассчитаны среднемноголетние значения потенциала острова Гызылсув, который находится в южной части Каспийского моря. Приток энергии к волнам осуществляется за счет энергии ветра, а ее диссипация - обрушение волновых гребней, вследствие донного трения и обрушения волн на критических глубинах. Для генерации волн использовали схему ST1, при расчетах нелинейных взаимодействий была использована параметрическая схема DIA (Discrete Interaction Approximation), которая является стандартным приближением для расчета нелинейных взаимодействий во всех современных волновых моделях ЕСИМ, Лаврова О.Ю., Костяной А.Г., Лебедев С А., Митягина М.И., Гинзбург А.И., Шеремет НА [1-9].

Для расчета параметров ветрового волнения в Каспийском море ссылались на спектральную волновую модель третьего поколения WAVEWATCH Ш по версии 4.18, полученную Мысленковым С А., Лебедьевым С А., Костяным А.Г. и некоторыми другими авторами. Для методики расчетов использованы данные гидрометеорологической службы Каспийского моря, средний период волн, скорость ветра, высота ветровых волн приведены на рис. 2. [4-12,16-20].

Методика расчета волновых характеристик. В гидродинамической модели волновых характеристик, основанной на численном интегрировании, используется уравнение в виде (1), которое позволяет по заданному полю ветра (атмосферного давления) вычислить частотно - направленный спектр волн в узлах сеточной области в различные моменты времени (синоптические сроки). Переход к параметрам видимых волн (высотам, периодам) осуществляется через моменты спектра [2-6,1 ОД 2,23]:

SN 3N dN- 3N. ЙМ 3N. .

л0               = Gs'О)

fft Оф Г ОА ОК Ор ” ОШ

Как видно, зависимость ветрового волнообразования описывается уравнением эволюции спектральной плотности от функции волнового действия N, от широты <р, долготы Л, волнового числа k и угла ^ между направлением волнового вектора и параллелью, а также от частоты ® и времени t.

Функция источника Os записывается в виде суммы трех компонент:

Gs = Gin +GnI +G ds,                         (2)

где Gin — поступление энергии от ветра к волнам; Gds — диссипация волновой энергии; Gnl - слабо нелинейное взаимодействие в спектре ветрового волнения.

В настоящее время в международной практике наиболее часто используются грн модели: Wave Watch (WW), Wave Model (WAM), а также Simulating Waves Nearshore (SWAN) - для мелководья. Модель Wave Watch разработана в США, остальные две - в Европе. Они находятся в свободном доступе и открыты для широкого круга пользователей Интернета. Для оценки параметров волнения Каспийского моря использована нелинейная нестационарная численная гидродинамическая модель SWAN, версия 41.01 А. разработанная в Делфтском Технологическом университете в Нидерландах. Эта модель признана международной общественностью, опробована на различных природных объектах и в течение многих лет используется для расчетов волнения [2-6,10,12,23].

Исходные данные для расчета ветрового волнения состоят из двух групп: данные о глубинах и положении береговой линии моря: информация о скорости и направлении. При расчетах с помощью специальных модулей учитывалось положение кромки льда и динамика береговой линии в зависимости от уровня Каспийского моря.

Результаты исследований. Учеными проделана большая теоретическая и практическая работа по гидродинамике смешанных морских волнений, при этом учитывали различные реальные спектры волн и их нагрузки на различные сооружения в море и в прибрежной зоне, что связано с разрушением берегов. Эти вопросы исследованы и рассмотрены в работах Коробкова В А., Вершинского Н.В., Васильева Ю.С., Дьяковой А Ф Елистратова В.В., Сичкарева В. И., Лебедева С А.. Костяного А.Г., Bab ar it A. Fahies J.Whittaker Т., Janssen Р А., Zakharov V.E., Cavaleri L. и многих др.[ 2-6,10,12,23].

В работах Абузярова З.К., Агаларова А.М., Гусейнова М.М., Камилова И.К., Кисельевой С .В., Лопатухина ЛИ., Мыс ленков а С. А., Савченко Г.Ю., Соловьева Д.А.. Липкой Н. А. и других исследователей проанализированы энергоэффективность, перспективы и тенденции развития волновой энергетики. Рассмотрены технические характеристики, себестоимость получаемой электроэнергии и преимущества волновых электростанций различных типов. Приведены расчётные формулы распределения волновой энергии для оценки максимально возможной мощности модуля с учетом энергетических и гидродинамических ресурсов моря [2-7,16].

Во всех этих работах изучались, в той или иной форме, различные общие волноэнергетические потенциалы других регионов Каспийского моря, но для конкретного случая, для юго-восточной части Каспия на побережье Туркменистана, энергетические ресурсы и использование потенциалов недостаточно изучены, а для острова Гызылсув не рассматривалось вообще.

В работе проведен научно-исследовательский анализ ветрового волнения, температуры воды и воздуха на побережье Туркменистана за период с 1979 года по 2017 годы. В результате проведенных расчетов для каждого узла вычислительной сетки получены характеристики ветрового волнения за каждые 3 часа с 1979 по 2017 год (всего 39 лет): высота значительных волн Hs (среднее значение высот от 1/3 наиболее высоких волн в спектре волнения или 13% обеспеченности), средний период волн, средняя длина волны и поток волновой энергии в кВт на метр фронта волны.

В результате математической обработки фактических материалов по метеостанции Туркменистана, были вычислены статистические характеристики эмпирических распределений скорости ветра и по ним найдены уравнения типовых режимов повторяемости скорости ветра острова Гызылсув.

Режим повторяемости скорости ветра, характерный для острова, может быть представлен зависимостью в процентах, м/с:

tf = 1571 — ■ ■ e-0'75^                                (3)

где AG - интервал скорости ветра, м/с; Э; — повторяемость ветра, м/с; 9 - средняя годовая скорость ветра, м/с; е - экспоненциальная функция.

Из уравнений (3) для острова вычислены повторяемости для д? от 2,0 до 8,0 м/с через 0,2 м/с и получены значения в процентах для каждой скорости ветра ^ от 0 до 25 м/с [13,15].

Используя теоретическую методику расчетов энергии потенциалов и анализируя гидродинамические и гидрометеорологические показатели (Hsig высота, длина, период волн) острова Гызылсув в Каспийском море на территории Туркменистана, были получены результаты по месяцам года. Они приведены в гистограмме на рис. 3.

■ Высота волн, м ■ Длина волн.м ■ Период воин, сек -1  ■ Потенциал волновой энергии. Е+4, еВт/м

3 20

ШПшпШ 123456789 10 И 12

Месяцы

Рисунок - 3. Средние гидродинамические показатели и энергетический потенциал Каспийского моря на побережье острова Гызылсув по месяцам года

Ветровое волнение юго-западной пасти Каспия. Наиболее слабое волнение наблюдается в мае—июле, при этом нередки случаи полного штиля на всей акватории северной части моря. Средняя повторяемость волн высотой менее 0,5 м составляет 58,6%: 0,5-1 м — 27,5%; 1-2 м — 13%; 2-3 м — 0,8% и более 3 м — 0,1%.

Статистический анализ. По результатам приведенных данных, на рис. 1 для оценки взаимосвязи распределения среднего потенциала волновой энергии (х) и скорости ветра (у) острова Гызылсув в течение года по шкале отношении интервалов н формы взаимосвязи, использовали коэффициент корреляции Бравэ-Пирсона (г) [11-13].

Коэффициент корреляции Бравэ - Пирсона, г^ = 0,547. Средняя скорость ветра X = 5,73 м/с, средний потенциал волновой энергии Y = 0,88-104 кВт/м.

В математическом выражении коэффициентов корреляционных айв использовали параметры уравнения и коэффициенты регрессии В_у\ = 0,651 и В^_у=0,459. Коэффициент коррелируемых переменных прямых и обратных параметров ai—2,85 и ai= 5,33. Для оценки качества уравнения регрессии вычислено остаточное среднее квадратичное отклонение с^у = 0,23 и а_{у к}= 1,12. Относительная погрешность уравнения б ^ = 127,0%; 5 _ку— 4,88%. Среднее квадратное отклонение скорости ветра о_у= 0,281, волновой энергии о_к = 0,334.

Тесную взаимосвязь общей вариации скорости ветра с показателем на потенциал волновой энергии определяет коэффициент детерминации, D = 70,2%. Следовательно, только 70,2% взаимосвязи скорости ветра влияет на потенциал волновой энергии. Остальная часть, то есть 29,8%, объясняется влиянием других неучтённых факторов.

Полученные корреляционные коэффициенты лив описывают уравнение регрессии, с помощью которой можно прогнозировать ожидаемые:

Скорость ветра: X (м/с) = 5,33 + 0.459* Y;

Потенциал волновой энергии: Y(kBt/m) = -2,85 + 0,651*Х.

За исследуемый период средняя скорость ветра X = 5,73 м/с, а средний потенциал волновой энергии Y = 0,88-104 кВт/м. Среднее квадратное отклонение скорости ветра о/=0,281, волновой энергии 0^=0,334.

Аналогично были проведены исследования взаимосвязи распределения среднего потенциала волновой энергии (к) и температуры морской воды (z), скорости ветра (у) и температуры воды (z) в течение года.

Обсуждение результатов. На побережье юго-западной части Каспийского моря на острове Гызьгтсув во время сильных ветров 10-15 м/с волны максимально поднимаются высотой до 4,13 м, а средняя максимальная высота волн в течение года составляет 3,14 м. Максимальная длина волны доходит до 75,5 м в ноябре месяце, средняя максимальная длина волн в течение года равна 58,81 м, средняя длина волн в течение года составляет 15,32 м. Средний период волн изменяется от 3,79 до 7,40 секунд. Средний энергетический потенциал волны в течение года максимально доходит до 36,89 104 кВт м, минимальный равен 0,88 104 кВт/м. Средний энергетический потенциал волн начинает повышаться с октября от 1,02-104 до 1,23 104 кВт/м в феврале месяце, с марта по сентябрь снижается в среднем от 0,87-104 до 0,4 Г104 кВт/м. При сильных штормовых волнениях 21—25 м/с высота волн доходит до 3 м. На туркменском побережье штормовые ветры бывают 16—20 м/с, при этом волновое волнение достигает до 4 м высоты. По другим частям Каспия высоты волн в процентном соотношении составляют: в Среднем 5-10%; в Южном 3-8%.

Заключение. На основе гидродинамической модели и гидрометеорологических условий смешанного морского волнения, с учетом наблюдаемых на волноизмерительных платформах реальных спектров, дина оценка энергетических потенциалов волновой энергии на юго-западной части акватории Каспийского моря на острове Кызылсув на территории Туркменистана. В рамках математического моделирования гидродинамического процесса смешанного морского волнения за исследуемый многолетний период рассчитано среднее значение энергетического потенциала волн, которое изменяется в пределах от максимального 36,89 104 кВт/м до среднего 0,88 104 кВт/м. Средний энергетический потенциал волн повышается с октября месяца от 1,02-104 до 1,23 104 кВт/м в феврале, с марта по сентябрь месяцы снижается в среднем от 0,87-104 до 0,41 104 кВт/м. Статистический анализ показывает, что среднее квадратичное отклонение энергетического потенциала волновой энергии от скорости ветра составляет 0,33 и 0,39.

По полученным результатам делаем вывод, что к положительным факторам волновой энергии побережья Каспийского моря на острове Гызылсув относится то, что значительный суммарный средний волновой потенциал составляет 10,58 -104 кВ т/м в год, максимальное суммарное волнение при штормах равно 442,68-104 кВт/м в год. Следовательно, энергетическая мощность увеличивается в осенне-зимний период на 49,4 %, в то время, когда растет потребление электроэнергии. В теплый период года с марта по сентябрь она уменьшается на 51,6 %. Одним из недостатков волновых энергоресурсов является их прерывистость [13,15].