Лекция №6. Ветроэнергетика. Происхождение и основные свойства ветра. Перспективы использования энергии ветра и классификация ветроэнергетических установок
Содержание лекции:причины возникновения ветра и его виды, классификация силы ветра по шкале Бофорта и основные характеристики ВЭУ различных классов, перспективы использования энергии ветра, национальная Программа развития ветроэнергетики в РК, классификация ветроустановок и особенности их работы.
Цель лекции:изучение ветра как энергоносителя и перспективы использования ветровой энергии в мире и РК, рассмотрение ветроэнергетических агрегатов различной конструкций и принципов их работы
Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неодно-родна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вы-зывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляций, в той или иной степени связанных друг с другом.
На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии по-стоянные ветры приходят с северо-востока, в южном – с юго-востока, как показано на схеме рисунок 1.
Рисунок.1- Схема общей циркуляции земной атмосферы
По территориальному принципу можно выделить глобальные и местные ветры.
К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер.
Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6…8 м/с. Эти ветры вблизи боль-ших континентов нарушаются сильными годовыми колебаниями темпе-ратуры и давления над материками. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км. Выше над ними находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, про-тивоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меня-ется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места.
Местные ветры. Особые местные условия рельефа земной по-верхности (моря, горы и т. п.) вызывают местные ветры.
Бризы. Вследствие изменения температур днём и ночью возника-ют береговые морские ветры, которые называются бризами.
Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км – в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах дости-гает от 200 до 300 м.
Муссоны. Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного раз-мера, чем бризы, называется муссонами.
В характеристике ветра входят числовая величина скоростии направление, откуда дует ветер
Скорость ветра выражается в м/с, км/ч, узлах и условных единицах (баллах). Для обозначения направления указывают румб – направление относительно сторон света, либо угол, который образует горизонтальный вектор скорости с меридианом. Север принимается за 360° или 0°, восток за 90°, юг – за 180°, запад за 270°. В Метеорологии принято разделять окружность горизонта на 16 румбов, 1 румб соответствует 22,5° (рисунок 2). Главными называют направления на север (С), юг (Ю), запад (З), восток (В). Названия 12 других Румбов являются комбинациями названий главных румбов, например, северо-восток (СВ); северо-северо-восток (ССВ), юго-юго-запад (ЮЮЗ).
Рисунок 2 - 1 – 16 румбов
В табл. 1 представлены классификации силы ветра по шка-ле Бофорта и основные характеристики ВЭУ различных классов
Таблица 1 - Сила ветра по шкале Бофорта и ее влияние на ветроустановки и условия их работы
Бал-лы Бо-форта | Ско-рость ветра, м/c | Харак-тери-стика силы ветра | Наблюдаемые эффекты действия | Воздействие ветра на ВЭУ | Условия для работы ВЭУ |
0,0…0,4 | Штиль | Дым из труб поднимается вертикально | Нет | Отсутствуют | |
0,4…1,8 | Тихий | Дым поднимается не со-всем отвесно, но флюгеры неподвижны. На воде поднимается рябь | Нет | Отсутствуют | |
1,8…3,5 | Легкий | Ветер ощущается лицом, шелестят листья, на воде отчетливое волнение | Нет | Плохие для всех установок | |
3,6…5,8 | Слабый | Колеблются листья на де-ревьях, развиваются лег-кие флаги, на отдельных волнах появляются ба-рашки | Начинают вращаться тихоходные ветроколеса | Удовлетвори-тельные для ра-боты насосов и некоторых аэрогенераторов | |
5,8…8,5 | Умерен-ный | Колеблются тонкие ветки деревьев, поднимается пыль и клочки бумаги, на воде много барашков | Начинают вращаться колеса ветро-генераторов | Хорошие для аэрогенераторов | |
8,5…11 | Свежий | Начинают раскачиваться лиственные деревья, все волны в барашках | Мощность ВЭУ дости-гает 30 % проектной | Очень хорошие | |
11…14 | Сильный | Раскачиваются большие ветки деревьев, гудят те-лефонные провода, пенят-ся гребни волн | Мощность в расчетном диапазоне близка к максималь-ной | Приемлемы для прочных малогабаритных установок | |
14…17 | Крепкий | Все деревья раскачивают-ся, с гребней волн срыва-ется пена | Максималь-ная мощ-ность | Предельно до-пустимые |
Окончание табл. 1
Бал-лы Бо-форта | Ско-рость ветра, м/c | Харак-тери-стика силы ветра | Наблюдаемые эффекты действия | Воздействие ветра на ВЭУ | Условия для работы ВЭУ |
17…21 | Очень крепкий | Ломаются ветки деревьев, трудно идти против ветра, с волн срываются клочья пены | Ряд ветроус-тановок на-чинает от-ключаться | Недопустимые | |
21…25 | Шторм | Небольшие разрушения, срываются дымовые тру-бы | Все установ-ки отключа-ются | Недопустимые | |
25…29 | Сильный шторм | Значительные разруше-ния, деревья вырываются с корнем | Предельные нагрузки | Недопустимые | |
29…34 | Жесткий шторм | Широкомасштабные раз-рушения | Повреждения некоторых установок | Недопустимые | |
Более 34 | Ураган | Опустошительные разру-шения | Серьезные поврежде-ния, вплоть до разруше-ния устано-вок | Недопустимые |
Ветер со скоростью порядка 5 – 8 м/с считается умеренным, выше 14 м/с – сильным; выше 20 – 25 м/с – штормовым, а выше 30 – 35 м/с – ураганом. При порывах и сильных шквалах скорость ветра у поверхности земли может превышать 50 м/с, а в отдельных случаях достигать 100 м/с и более.
Сильные колебания режима ветра, обусловленные турбулентностью, отмечается особо как порывистость или шквальность.
Порывистость ветра – наличие в воздушном потоке значительных колебаний по скорости и направлению с временными интервалами в несколько десятков секунд. Она ярко выражена в холодных воздушных массах с неустойчивым распределением температуры в атмосфере по высоте. Она увеличивается также при прохождении фронтов атмосферы, особенно холодных.
Шквальность – резкое усиление и ослабление ветра в течение короткого времени, сопровождающегося также изменениями его направления, продолжительностью несколько минут или десятков минут