Анализ волновой энергии в Каспийском море

08.07.2022 JeeesAdmin 2022-02 0

Мысленков Станислав Александрович[0000-0002-7700-4398]1,2

Киселева Софья Валентиновна[0000-0001-5836-8615]1,3

1Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

2E-mail: stasocean@gmail.com, 3E-mail: k_sophia_v@mail.ru

Аннотация. Данная работа посвящена анализу волновой энергии в Каспийском море за период с 1979 по 2020 г. Расчеты волновой энергии выполнены при помощи волновой модели WAVEWATCH III на нерегулярной сетке с шагом до 900 м в прибрежной зоне. Получены результаты о пространственной изменчивости потока волновой энергии и о его сезонной изменчивости. Максимальные значения потока энергии составляют около 5 кВт/м волнового фронта и проявляются в центральной части Каспийского моря. Обеспеченность волновой энергией 1 кВт/м в центральной части Каспийского моря составляет 50-55%, в северной части – не более 20%, а в южной  30‑45%. Проведен анализ сезонной изменчивости потока энергии для трех точек, расположенных в разных частях моря. Сезонные изменения потока энергии наиболее выражены в центральной части моря: в летние месяцы поток энергии составляет 2-5 кВт/м, а в зимние увеличивается до 7-10 кВт/м. Максимальный среднемесячный поток волновой энергии составил 18.5 кВт/м волнового фронта.

 Ключевые слова: Каспийское море, волновая энергия, моделирование волнения, WAVEWATCH III.

2. Введение

В последнее время наблюдается интерес к оценкам ветроэнергетического потенциала и волновой энергии в различных акваториях Мирового океана [1, 2, 3, 6, 7]. Энергия волн является одним из возобновляемых источников энергии, который может быть использована для получения электрической энергии [2, 3]. Распределение волновой энергии учитывается при расчете нагрузок на различные сооружения в море и в прибрежной зоне. Также энергия морских волн является одним из факторов, с воздействием которого связано разрушение берегов.

Каспийских регион характеризуется высокими ресурсами солнечной и ветровой энергии. Так, приходящая суммарная солнечная энергия на горизонтальную поверхность составляет 3,5 — 3,9 кВтч/м2/день  (средняя за год суточная сумма); в летний период увеличиваясь до 5,8 – 6,3 кВтч/м2/день. Это практически максимальные значения, наблюдаемые на территории России. Ветровые ресурсы также значительны: средняя за год скорость ветра в районе Дербента достигает 7,0 м/с на высоте 50 м, а удельная плотность энергии ветрового потока на той же высоте – 424 Вт/м2. Значительные скорости ветра определяют и значительные удельные (на единицу волнового фронта) значения потока волновой энергии. Интерес к оценкам величины волновой энергии, таким образом, определяются не только задачами океанологии, но и потребностями возобновляемой энергетики.  

Интерес к исследованиям энергии волн Каспийского моря был реализован в ряде исследований. [12, 13, 17]. В работе [17] на основе модели SWAN и реанализа Era-Interim выполнено моделирование волнения и получены оценки волновой энергии в некоторых точках Каспийского моря. В работе [13] приводятся данные моделирования волновой энергии для южной части Каспийского моря. Волновой климат и повторяемость штормов в Каспийском море исследована в работах [4, 5, 10,11, 14, 15].

В данном исследовании проведен анализ длительного ряда результатов моделирования ветрового волнения в Каспийском море за период с 1979 по 2020 гг. Рассматривается распределение волновой энергии в пространстве, ее сезонная изменчивость и обеспеченность.

2. Материалы и методы

Для расчета характеристик ветрового волнения в Каспийском море использовалась спектральная волновая модель третьего поколения WAVEWATCH III версии 6.07 [16]. Эта волновая модель учитывает нелинейные взаимодействия трех волн, характерные для закрытых и мелководных акваторий, эффекты обрушения и дифракции волн на малых глубинах, а также влияние морского льда.

Для генерации волн использована схема ST6, для расчета нелинейных взаимодействий схема DIA, для учета влияния льда схема IC0. Для учета воздействия придонного трения применялась схема JONSWAP, диссипация волновой энергии параметризуется в зависимости от отношения фазовой и групповой скоростей волн, а также глубины в точке. Спектральное разрешение модели составляло 36 направлений (Δθ = 10°), частотный диапазон σ – 36 интервалов от 0.03 до 0.843 Гц. Общий шаг по времени для интегрирования полного уравнения волнового баланса составляет 15 минут, шаг по времени для интегрирования функций источников и стоков волновой энергии составляет 60 секунд, шаг по времени для передачи энергии по спектру составляет 450 секунд.

При моделировании волнения использовались данные о ветре и концентрации льда с шагом по времени 1 час из реанализа NCEP/CFSR (1979-2010) c пространственным разрешением ~0.3° и реанализа NCEP/CFSv2 (2011-2020) с разрешением ~ 0.2°. Вычисления проводились на неструктурной триангуляционной сетке, состоящей из 17529 узлов (рис. 1). Шаг сетки по пространству составляет ~15 км в открытом море и 900 м у берега. Ранее данная конфигурация модели и вычислительной сетки использовалась для описания волнового климата Каспийского моря [10].

В результате проведенных расчетов для каждого узла вычислительной сетки получены следующие характеристики ветрового волнения за каждые 3 часа с 1979 по 2020 год (всего 42 года):

— 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,

— поток волновой энергии в кВт на метр фронта волны.

Поток волновой энергии на единицу фронта волны, определяется как:

где E(ω,)– частотно-направленный спектр энергии; Cg(ω,h) — групповая скорость; g – ускорение свободного падения, h— глубина, ρ – плотность морской воды, ω – частота волн, — азимутальный угол.

На основе данных о потоке волновой энергии были рассчитаны среднемноголетние годовые значения, а также среднемноголетние значения для отдельных месяцев и среднемесячные значения для трех точек в разных частях моря. В северной части Каспийского моря в зимний период часто присутствует морской лед. При наличии льда с концентрацией более 0.5 в модели высота волн и волновая энергия равны 0. При осреднении нулевые значения также учитывались. Также на основе данных моделирования рассчитывалась обеспеченность волновой энергией для пороговой величины 1 кВт/м. Обеспеченность представляет собой отношение количества значений ряда, когда перенос волновой энергии превышал заданный критерий к общему количеству значений всего ряда. Обеспеченность волновой энергией для критерия более 1 кВт/м рассчитывается по следующей формуле:

где m – количество случаев из выборки, когда перенос энергии Р был более 1 кВт/м фронта волны, n – общее количество случаев выборки.

Обеспеченность волновой энергии меняется по пространству и рассчитывается для каждого узла расчетной сетки. Расчеты проводились для всей выборки.

3. Результаты и обсуждение

    На первом этапе исследования были рассчитаны среднемноголетние значения потока волновой энергии для каждого узла вычислительной сетки. На рис.2 приведен среднемноголетний поток волновой энергии для всего периода моделирования (за 42 года). Максимальные значения составляют около 5‑5.3 кВт/м и расположен максимум в центральной части моря. В северной части из-за небольших глубин и присутствия льда в зимнее время поток энергии не превышает 0.6 кВт/м волнового фронта. Также рассчитывался среднемноголетний поток волновой энергии для отдельных месяцев, чтобы оценить сезонную изменчивость. В январе максимальные значения потока волновой энергии находятся в центральной части моря и составляют более 8 кВт/м (рис.2). В августе максимум смещается к южной части моря и Апшеронскому полуострову и составляет до 3 кВт/м (рис.2). В южной части моря из-за небольших глубин и присутствия льда в зимний период поток энергии не превышает 1.

При оценках ресурсов и энергетического потенциала той или иной акватории очень важно рассматривать не только средние показатели, но и обеспеченность волновой энергией, которая позволяет рассчитать время работы волнового генератора. На рис.3 приведено распределение среднемноголетней обеспеченности потока волновой энергии для критерия (предельного значения) 1 кВт/м волнового фронта. Как видно из рисунка, в центральной части Каспийского моря приблизительно 50-55% времени поток волновой энергии превышает величину 1 кВт/м (рис.3). В северной части моря этот показатель не превышает 20%, а в южной – 30‑45%. Важно отметить, что в южной части моря обеспеченность существенно уменьшается в прибрежной зоне, тогда как в средней части моря у берега проходят изолинии 40-45%. Так как потребители электроэнергии, как правило, находятся на побережье, то этот момент может иметь важное значение  при планировании использования волновой энергии.

Анализ сезонной изменчивости потока энергии был проведен для трех точек, расположенных в разных частях Каспийского моря (рис.1). Графики изменения среднемесячного потока волновой энергии для периода с 1979 по 2020 гг. для каждой из точек приведены на рис.4. За весь период среднемесячный поток волновой энергии меняется от 0 (в северной части моря) или 0.4 (в центральной и южной) до 18.5 кВт/м. Максимум в северной части моря (точка 1) составляет 2.4 кВт/м волнового фронта и наблюдался в феврале 1995 года. В зимние месяцы в северной части моря наблюдается или нулевой, или совсем незначительный поток энергии волн из-за наличия морского льда.

Однако примерно с 2000 года льда становилось все меньше, и нулевые значения наблюдались не каждый год. В центральной части моря максимум потока волновой энергии составляет 18.4 кВт/м и наблюдался в феврале 2010 года. В точке 2 сезонные изменения потока энергии выражены очень сильно: в летние месяцы поток энергии составляет 2-5 кВт/м волнового фронта, а в зимние увеличивается до 7-10 кВт/м. С 2010 по 2016 год наблюдается увеличение среднемесячного потока в энергии в зимние месяцы до 15 кВт/м и более. В южной части моря (точка 3) средний поток энергии меньше чем в центральной и редко превышает 7-8 кВт/м. Сезонный ход здесь выражен не так сильно, происходит усиление потока энергии в зимние месяцы, однако и летом присутствуют значения 3-5 кВт/м.

4. Заключение

На основе модели WaveWatch3 и данных реанализа NCEP/CFSR получены данные о потоке волновой энергии за период с 1979 по 2020 год с высоким пространственным разрешением. Полученный массив данных был использован для расчета среднемноголетних показателей потока волновой энергии, и оценки его сезонной и межгодовой изменчивости.

Максимальные значения волновой энергии наблюдаются в центральной части Каспийского моря. В зимние месяцы в средней и южной частях моря наблюдается увеличение потока энергии.

Обеспеченность волновой энергией для критерия 1 кВт/м волнового фронта в центральной части Каспийского моря составляет 50-55%, в южной части – 30 45%. В южной части моря обеспеченность существенно уменьшается в прибрежной зоне.

Сезонная изменчивость потока энергии очень велика. Для средней части моря в летние месяцы поток энергии составляет 2-5 кВт/м, а в зимние увеличивается до 7-10 кВт/м волнового фронта.

В целом Каспийское море имеет не очень большой потенциал волновой энергии по сравнению, например, с Баренцевым [8] и даже с Балтийским [9] морями. Однако, в районе Апшеронского полуострова изолинии 50% обеспеченности энергией 1 кВт/м подходит достаточно близко к берегу, что является хорошим показателем.

Благодарность

Моделирование волнения выполнено Мысленковым С.А. при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды».

Литература

  1. Архипкин В.С., Васьков А.Г., Киселева С.В., Мысленков С.А., Темеев А.А., Темеев С.А., Умнов П.М. Оценка потенциала волновой энергии прибрежной акватории полуострова Крым // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 20. С. 25-35.
  2. Горлов А.А. Научная и экспериментальная инфраструктура развития морских ВИЭ // Энергия: экономика, техника, экология. 2017. № 4. С. 21-31.
  3. Киселева С.В., Шестакова А.А., Торопов П.А., Мысленков С.А. Оценка ветроэнергетического потенциала Черноморского побережья Кавказа с использованием реанализа CFSR //Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2016. № 15-18. С. 75-85.
  4. Кислов А.В., Суркова Г.В., Архипкин В.С. Повторяемость штормовых ситуаций в Балтийском, Черном и Каспийском морях в изменяющихся климатических условиях // Метеорология и гидрология. 2016. № 2. С. 67-77.
  5. Лопатухин Л.И., Яицкая Н.А. Волновой климат Каспийского моря. Входные данные по ветру для гидроди-намического моделирования и некоторые результаты расчетов//Океанология. 2019. Т. 59. № 1. С. 12-21.
  6. Минин В. А., Дмитриев Г. С. Перспективы освоения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии на Кольском полуострове. Мурманск: Изд-во Беллона, 2007.
  7. Мысленков С.А., Столярова Е.В., Маркина М.Ю., Киселева С.В., Архипкин В.С., Горлов А.А., Умнов П.М. Сезонная и межгодовая изменчивость потока волновой энергии в Баренцевом море // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2017. № 19-21 (231-233). С. 36-48.
  8. Мысленков С.А., Маркина М.Ю., Киселева С.В. и др. Исследование ресурсов энергии волн в акватории Баренцева моря // Теплоэнергетика. 2018. № 7. С. 5-15.
  9. Мысленков С.А., Медведева А.Ю. Оценка ресурсов волновой энергии Балтийского моря и прибрежной зоны Калининградской области // Фундаментальная и прикладная геофизика. — 2019. — Т. 12 — С. 34-42
  10. Мысленков С. А., Архипкин В. С., Павлова А. В., Добролюбов С. А. Волновой климат Каспийского моря по данным моделирования // Метеорология и гидрология. 2018. № 10. С. 60-70.
  11. Справочные данные по режиму ветра и волнения Баренцева, Охотского и Каспийского морей. СПб.: Российский морской регистр судоходства, 2003. 213 С.
  12. Alamian R., R. Shafaghat, S.S. Hosseini, A. Zainali Wave energy potential along the southern coast of the Caspian Sea Int. J. Mar. Energy., 19 (2017), pp. 221-234, 10.1016/j.ijome.2017.08.002
  13. Gholamreza Amirinia, Bahareh Kamranzad, Somayeh Mafi, Wind and wave energy potential in southern Caspian Sea using uncertainty analysis // Energy, Volume 120, P. 332-345, 2017.
  14. Golshani A. A., A. Nakhaei, S. Taebi, V. Chegini, and A. V. Jandaghi, “Wave Hindcast Study of the Caspian Sea,” J. Mar. Eng., No. 2, 1 (2005).
  15. Kudryavtseva N, Kussembayeva K, Rakisheva ZB, Soomere T (2019) Spatial variations in the Caspian Sea wave climate in 2002–2013 from satellite altimetry. Estonian J Earth Sci 68(4):225–240. https://doi.org/10.3176/earth.2019.16
  16. Tolman H (2019) The WAVEWATCH III Development Group User Manual and System Documentation of WAVEWATCH III version 6.07. Tech. Note 333.
  17. Rusu E, Onea F, Evaluation of the wind and wave energy along the Caspian Sea, Energy (2013), http:// dx.doi.org/10.1016/j.energy.2012.11.044