Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

Природа и характеристики ветра

Ветер в приземном слое образуется вследствие неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. Поскольку поверхность Земли неоднородна, то даже на одной и той же широте суша и водные просторы, горы и лесные массивы, пустыни и болотистые низины нагреваются по-разному. В течение дня над морями и океанами воздух остается сравнительно холодным, поскольку значительная часть энергии солнечного излучения расходуется на испарение воды или поглощается ею. Над сушей воздух прогревается больше, расширяется, снижает свою плотность и направляется в более высокие слои над землей. Его замещают более холодные, а следовательно, более плотные воздушные массы, располагались над водными пространствами, что и приводит к возникновению ветра, как направленному перемещению больших масс воздуха. Таким образом, воздушные массы все время перемешиваются и перемещаются как в вертикальном направлении, так и параллельно земной поверхности. Эти перемещения имеют очень сложный характер и зависят от многих причин.

Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов вызывают циркуляцию более крупного масштаба, чем брызги, называемые муссонами. Они делятся на морские и материковые, отличаются, как правило, большими скоростями и в течение ночи меняют свое направление. Аналогичные процессы происходят в гористых местах и ​​долинах вследствие разных уровней нагрева экваториальных зон и полюсов Земли и многих других факторов. Характер циркуляции земной атмосферы усложняется вследствие сил инерции, возникающей при вращении Земли. Они вызывают различные отклонения воздушных течений, образуется множество циркуляции, в большей или меньшей степени взаимодействующих между собой.

С увеличением высоты скорость ветра в среднем растет, и на высоте 500 м она почти в два раза выше, чем в земле. Сила и направление ветра в различных зонах по-разному изменяются в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Так, на экваторе близко к земной поверхности расположена зона с относительно небольшими и переменными по направлению скоростями ветра, а в верхних слоях возникают достаточно большие по скорости воздушные потоки в восточном направлении. На высоте от 1 до 4 км от поверхности Земли, в зоне между 30 ° северной и южной широте образуются достаточно равномерные воздушные течения. В северном полушарии ближе к поверхности Земли их средняя скорость составляет 7-9 м / с.

Вокруг зоны пониженного давления образуются крупномасштабные циркуляции воздушных масс - в северном полушарии против часовой стрелки, а в южном - по направлению ее движения. Вследствие наклона 23,5 ° оси вращения Земли к плоскости ее вращения относительно Солнца происходят сезонные изменения тепловой энергии, получаемой от него, величина которых зависит от силы и направления ветра над определенной зоной земной поверхности. Информация о воздухе, его свойства, параметры, соотношение приведена в приложении И.

На относительно большой высоте над поверхностью Земли (в среднем 8-12 км) в тропосфере возникают достаточно равномерные и мощные воздушные течения, получившие название струйных. их образования вызвано особенностями высотной атмосферной циркуляции, поэтому характеристики струйных течений существенно отличаются от параметров приземного ветра.

Таким образом, тепловая энергия непрерывно поступает от Солнца, превращается в кинетическую энергию движения в атмосфере больших масс воздуха, циркуляция которых и называется ветром. Ветер - величина векторная, которая характеризуется двумя основными элементами: направлением, в котором перемещается воздух, и скоростью, с которой происходит это перемещение. Направление ветра на практике принято обозначать той частью горизонта, откуда он дует. Таким образом, ветер, при котором воздух перемещается с юга на север, будет южным.

Скорость его обычно определяют в метрах в секунду, а в судоходстве в узлах.

Со скоростью ветра неразрывно связано понятие скорости ветра:

- 2 ... 3 м / с - слабый (чуть чувствуется)

- 4 ... 7 м / с - умеренный (качаются тонкие ветки деревьев)

- 10 ... 12 м / с - сильный (качаются толстые ветви деревьев)

- 15 ... 20 м / с - буря;

- 20 .. .30 м / с - шторм;

- Более 30 м / с - ураган.

Английский военный гидрограф и картограф, контр-адмирал Фрэнсис Бофорт (1774 - 18S7) предложил в 1806 году условную шкалу для оценки силы ветра в баллах по его влиянием на наземные предметы и по волнению моря. По фамилии автора шкала получила название "шкала Бофорта" и им по сей день пользуются моряки и к ней присоседились и ветроэнергетики. В приложении 2 приведена упомянутая шкала и к ней добавлены две графы: "влияние ветра на ВЭУ" и "Условия для работы ВЭУ в данном диапазоне скорости ветра". Эти две графы и их характеристики предложили Дж. Твейдейл и А. Уэйр в 1986 году.

Ветер является одним из самых мощных энергетических источников, который издавна используется человеком, и при благоприятных условиях может быть утилизирован в значительно больших масштабах, чем это имеет место в настоящее время. По ориентировочным оценкам, энергия, которая непрерывно поступает от Солнца, соответствует суммарной мощности, превышающей 1011 ГВт. Это определяет возможное годовая выработка энергии ветроагрегатами, равное 1,18-1013 кВт • ч, что во много раз превышает количество энергии, потребляемой сегодня человечеством.

Согласно информации Института возобновляемой энергетики НАН Украины на территории Украины в зависимости от среднегодовой скорости ветра можно выделить несколько областей, которые можно использовать для экономически выгодного производства электроэнергии с помощью ветрогенераторных установок. Это, прежде всего, южные области Украины и Крыма, а также предгорья Карпат в западных областях Украины.

Ветровой поток, встречая при движении на своем пути лопасти, отдает свою энергию ветроколеса. Вследствие наличия аэродинамических потерь ветроколесо использует только часть мощности ветрового потока. При этом, в результате непрерывного изменения мгновенных скоростей ветра в значительных пределах изменяется энергия ветрового потока, а следовательно, мощность, развиваемая ветроколесом. Структура ветрового потока за наблюдаемый промежуток времени характеризуется рядом величин: средней скоростью ветра; порывистостью ветра; изменчивостью ветра; продолжительностью провалов-подъемов скоростей ветра выше или ниже среднего значения.

Энергетические установки обычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50 ... 70 м, реже - до 100 ... 150 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют характеристики движения воздушных потоков именно в этом слое. Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую ценность ветра, является его скорость. В силу ряда метеорологических факторов (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности, количества тепловой энергии, поступающей на Землю, и других причин), а также в результате воздействия рельефных условий, непрерывная продолжительность ветра в данной местности, его скорость и направление изменяются по случайному закону. Поэтому мощность, которую может производить ветроустановка в разные периоды времени, удается предвидеть с очень малой вероятностью. В то же время суммарная выработка агрегата, особенно за длительный промежуток времени, можно рассчитать с высокой степенью достоверности, так как средняя скорость ветра и частота распределения скоростей в течение года или сезона изменяются незначительно.

Единицами измерения скорости в Украине метр в секунду (м / с) и километр в час (км / ч), за рубежом применяют также миля в час (1 миля / ч = 0,44 м / с). Направление вектора скорости измеряется в градусах или румбах и показывает его угловое положение относительно направления (обычно северного), принятого за начало отсчета.

Для измерения мгновенной скорости ветра, то есть пути воздушного потока, пройденного им за промежуток времени, измеряется секундами или даже долями секунд, пользуются анемометрами различных конструкций. Чем меньше интервал времени усреднения скорости, тем меньше инерционным должно быть витроприймаючий устройство анемометра. Поэтому для подобных измерений используют специальный класс приборов - мало-инерционные.

Усредненную по более длительные промежутки (несколько десятков секунд или минут) скорость потока измеряют анемометрами с интегрирующими устройствами различных типов, которые имеют также приборы для получения визуальных отсчетов и регистрируют часть, которая обеспечивает запись скоростей на ленту. Погрешность измерения скорости анемометром может доходить до 5 ... 7%, поэтому в тех случаях, когда требуется большая точность, например при испытаниях в аэродинамической трубе ветродвигателей и их моделей, используют более сложные и точные приборы.

Мгновенная скорость ветра часто определяет динамическое воздействие воздушного потока на ветродвигатель. Динамические характеристики потока, его порывы влияют на работу автоматических систем регулирования и ориентации. Количество энергии, которую может произвести ветроагрегат, зависит в первую очередь от усредненной скорости ветра за определенный интервал времени и по всему сечению потока, равной площади поверхности, обмахувану ветроколесом. Именно эта скорость в основном определяет также режимы работы агрегата.

Средняя скорость ветра за выбранный промежуток времени определяется отношением суммы измеренных значений мгновенной скорости V к числу измерений п

(2.1)

Среднесуточную скорость находят делением на 24 суммы среднечасовых скоростей , а среднегодовую - делением на 365 суммы всех за год.

Средние значения скоростей в рассматриваемом районе, как правило, определяют по данным наблюдений на метеостанциях, а в ряде случаев - по материалам анеморозвидок. В зависимости от категории и класса метеостанции, требований и особенностей объектов, находящихся вблизи от обслуживающих станций, метеорологические сроки наблюдений за скоростью ветра устанавливаются разные. Чаще всего приняты интервалы в 3, 4 или 6 часов. с измерениями в определенное время, но на некоторых метеостанциях и специальных объектах ведут непрерывную запись скоростей или проводят ежечасные наблюдения.

Средние скорости ветра меняются в разное время суток, разные месяцы и сезоны. Поэтому рассматривают суточный, месячный и сезонный ход скоростей, определяет общую тенденцию их изменения в указанные периоды и оценивает макроструктуре воздушного потока. Предельные значения скоростей ветра, данные о его интенсивность и микроструктура потока в различных точках его поперечного сечения и продольного вектора за относительно короткие интервалы времени важны режимными характеристиками ветра, используемыми в расчетах на прочность и долговечность агрегатов, при проектировании механизмов привода, систем регулирования и ориентации , схем совместного использования с другими установками и др.

Пульсации скорости и, следовательно, энергии воздушного потока вызываются общим характером формирования структуры ветра, местными особенностями, в частности ландшафтными и рельефными. Нередко причиной разрушения ветроагрегата не столько общий уровень скорости ветра, сколько его динамика и структура вариаций скорости за короткие промежутки времени, то есть ускорение потока, продолжительность порывов и их совпадение в разных точках поверхности, обмахувану ветроколесом, наконец, порывистость потока , представляющий собой отношение максимально измерен скорости к средней за выбранный интервал времени (обычно не более 2 мин.):

(2.2)

Порывистость ветра является функцией ряда факторов и зональных условий и варьирует в значительных пределах. Обычно чем больше скорость, тем меньше , хотя абсолютные отклонения скорости при порыве средней растут.

Направление ветра обычно играет меньшую роль с точки зрения его использования. Однако в каждой ландшафтных условиях ветры разных румбов имеют неодинаковые порывистость и скорость. их повторяемость определяют по розе ветров - графике, показывающем, какой процент общего времени года ветер имеет то или иное направление (рис. 2.1).

Пример розы ветров

Рисунок 2.1 - Пример розы ветров

Повторяемость скоростей ветра, которые имеют разные направления, меняется в зависимости от сезона и времени суток, в которое проводится измерение. Угловые градиенты скорости существенно влияют на работу механизмов автоматической ориентации и на величину нагрузок, возникающих в узлах и деталях ВЭУ при повороте головки в процессе ее ориентации "на ветер".

Важнейшее значение для надежности и долговечности ветроэнергетической установки имеют значения предельных скоростей ветра в зоне. Они определяют принятые расчетные нормативы при проектировании узлов и конструкций установки на прочность, параметры регуляторов, аэродинамические характеристики лопастей.

Важной характеристикой является вертикальный профиль ветра, то есть изменения его скорости по высоте в приземном слое. Влияние земной поверхности на скорость и направление ветра уменьшается по мере увеличения высоты. Поэтому скорость обычно растет, а порывистость и ускорения потока снижаются. Градиент скоростей летом, как правило, меньше, чем зимой, когда вертикальный перепад температур относительно небольшой.

На основании данных наблюдения скоростей ветра по высоте некоторыми исследователями выведены обобщающие формулы для определения скорости ветра по высоте. Из них наиболее простая зависимость для высоты от 5 м и выше имеет следующее выражение:

(2.3)

где - скорость ветра на высоте расположения флюгера; - Высота расположения флюгера; v - скорость, определяемая для высоты h.

Недостатком этой формулы является то, что она не учитывает влияния подстилающей поверхности на скорость ветра, а также турбулентности потока вблизи поверхности земли. Если учесть влияние этих факторов и, допустить, что на некоторой высоте скорость ветра равна нулю, можно получить следующую формулу:

(2.4)

где V - скорость ветра на высоте h ; - Известная скорость ветра на высоте ; - Высота, на которой скорость ветра равна 0. Обычно рассматривается как мера шероховатости подстилающей поверхности; ее величина равна для снежного покрова 0,5 см, для поверхности с низкой травой - 3,2 см, с более высокими растениями - 5 ... 7 см; см.

Подстилающей поверхности и рельеф местности имеют большое влияние на скорость ветра. Установлено, что на высоте 10 ... 20 м в равнинном степи скорость ветра меняется в зависимости от рельефа местности. Скорость ветра над вершинами открыто расположенных хребтов с правильными, хорошо обтекаемыми склонами без резкого изменения рельефа, увеличивается в 1,5 ... 2 раза. Если возвышенность не представляет правильного склона или рельеф искаженный обрывом, оврагом и т. П., То скорости ветра обычно малы. Холмы с крутыми, обрывистыми, каменистыми склонами обусловливают достаточно низкие скорости ветра; здесь решающее влияние принадлежит восходящим и нисходящим потокам.

Рельеф местности создает так называемые местные ветры. Если воздушный поток встречает вершину, которая стоит отдельно, то он при некоторых условиях может обойти ее, направляясь по долине, а не над ее гребнем. В случае движения ветра между двумя повышениями его скорость значительно возрастает. В долине между повышениями образуется род коридора, в который с силой устремляется воздушный поток. Таким образом, создаются местные ветры, достигающие иногда большой силы при сравнительно малых скоростях ветра в соседних открытых участках. Скорость ветра также повышается при обтекании холмов, имеющих более или менее правильный очертание поверхности.

Различные препятствия на земной поверхности сильно влияют на скорость роста и направление воздушных течений. Часть воздушного потока при обтекании препятствий с прямолинейного движения переходит в хаотическое, вихревой. Воздушные струи, непосредственно окружающие края препятствий, срываются с них и закручиваются в вихри, которые несутся в направлении воздушного потока. На месте отнесенных появляются новые вихри и т. Д. Это вихреобразования, образующийся на гранях препятствия, далеко за ним постепенно затухает и вовсе прекращается на расстоянии примерно пятнадцати кратной высоты препятствия. В результате скорость воздушного потока при прохождении его над крышей дома значительно повышается, а позади препятствия убывает не только на уровне самой препятствия, но даже на несколько большей высоте.

Влияние препятствий на скорость ветра по мере увеличения высоты над земной поверхностью уменьшается и на некоторой высоте почти пропадает. Ветры нижних слоев следуют рельефа местности. Неравенства, при этом встречаются вызывают вихри, неблагоприятные для работы ветродвигателей. Неустойчивость ветра как по скорости, так и по направлению простирается в высоту около 80 м над землей.

Повторяемостью ветра называют сумму часов, в течение которых в любом определенном пункте в разное время дул ветер с одинаковой скоростью. Повторяемость является основной величиной, характеризующей ветер с энергетической стороны. Учитывая непостоянство ветра, изучение его повторяемости представляет очень сложную задачу. Российский исследователь Μ. М. Поморцев впервые установил зависимость, которая дает оценку повторяемости ветров, близкой к действительной, в районах со среднегодовыми скоростями, не превышающими 5 м / с. Он пришел к выводу о показательный характер этой зависимости, приводится к виду нормальной кривой вероятности Гаусса:

где параметры А и В можно определить или способом наименьших квадратов по фактическим наблюдениям для целых значений v0, или теоретической зависимостью:

(2.5)

где v - скорость ветра; v 0 - средняя скорость ветра в течение выбранного периода; п - число слагаемых.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее