Размещено на http://allbest.ru

Фізичні основи використання енергії вітру

Вітер у приземному шарі утворюється внаслідок нерівномірного нагрівання земної поверхні Сонцем. Оскільки поверхня Землі неоднорідна, то навіть на одній і тій же широті суша і водні простори, гори і лісові масиви, пустелі і болотисті низини нагріваються по-різному. Протягом дня над морями і океанами повітря залишається порівняно холодним, оскільки значна частина енергії сонячного випромінювання витрачається на випаровування води або поглинається нею.

Над сушею повітря прогрівається більше, розширюється, знижує свою щільність і спрямовується в більш високі шари над землею. Його заміщають більш холодні, а отже, більш щільні повітряні маси, що розташовувалися над водними просторами, що і призводить до виникнення вітру, як спрямованому переміщенню великих мас повітря.

Таким чином, повітряні маси увесь час перемішуються і переміщуються як у вертикальному напрямку, так і паралельно земній поверхні. Ці переміщення мають дуже складний характер і залежать від багатьох причин.

Річні зміни температури в берегових районах великих морів і океанів викликають циркуляцію більш великого масштабу, ніж бризи, звані мусонами. Вони діляться на морські і материкові, відрізняються, як правило, великими швидкостями і протягом ночі змінюють свій напрямок.

Аналогічні процеси відбуваються в гористих місцях і долинах внаслідок різних рівнів нагріву екваторіальних зон і полюсів Землі та багатьох інших факторів.

Характер циркуляції земної атмосфери ускладнюється внаслідок сил інерції, що виникає при обертанні Землі. Вони викликають різні відхилення повітряних течій, утворюється безліч циркуляції, в більшій чи меншій мірі взаємодіючих між собою.

Зі збільшенням висоти швидкість вітру в середньому зростає, й на висоті 500 м вона майже вдвічі вища, ніж у землі. Сила і напрям вітру в різних зонах по-різному змінюються залежно від висоти над поверхнею Землі.

Так, на екваторі близько до земної поверхні розташована зона з відносно невеликими і змінними за напрямом швидкостями вітру, а у верхніх шарах виникають досить великі за швидкістю повітряні потоки в східному напрямку. На висоті від 1 до 4 км від поверхні Землі, в зоні між 30° північної і південної широтою утворюються досить рівномірні повітряні течії. У північній півкулі ближче до поверхні Землі їх середня швидкість становить 7-9 м/с.

Навколо зони зниженого тиску утворюються великомасштабні циркуляції повітряних мас - в північній півкулі проти руху годинникової стрілки, а в південному - у напрямку її руху.

Внаслідок нахилу 23,5° осі обертання Землі до площини її обертання відносно Сонця відбуваються сезонні зміни теплової енергії, одержуваної від нього, величина яких залежить від сили і напряму вітру над певною зоною земної поверхні. Інформація про повітря, його властивості, параметри, співвідношення наведена у додатку І.

На відносно великій висоті над поверхнею Землі (в середньому 8-12 км) в тропосфері виникають досить рівномірні і потужні повітряні течії, що отримали назву струменевих. їх утворення викликано особливостями висотної атмосферної циркуляції, тому характеристики струменевих течій істотно відрізняються від параметрів приземного вітру.

Таким чином, теплова енергія, що безперервно надходить від Сонця, перетворюється в кінетичну енергію руху в атмосфері великих мас повітря, циркуляція яких і називається вітром.

Вітер - величина векторна, яка характеризується двома основними елементами: напрямком, в якому переміщується повітря, і швидкістю, з якою відбувається це переміщення.

Напрямок вітру на практиці прийнято позначати тією частиною горизонту, відкіля він дує. Таким чином, вітер, при якому повітря переміщається з півдня на північ, буде південним.

Швидкість його зазвичай визначають у метрах на секунду, а у судноплавстві у вузлах.

Зі швидкістю вітру нерозривно зв'язане поняття швидкості вітру:

- 2...3 м/с - слабкий (ледь відчувається);

- 4...7 м/с - помірний (хитаються тонкі гілки дерев);

- 10... 12 м/с - сильний (хитаються товсті гілки дерев);

- 15...20 м/с - буря;

- 20.. .30 м/с - шторм;

- більше 30 м/с - ураган.

Англійський військовий гідрограф і картограф, контр-адмірал Френсіс Бофорт (1774 - 18S7) запропонував в 1806 році умовну шкалу для оцінки сили вітру в балах за його впливом на наземні предмети і по хвилюванню моря.

На прізвище автора шкала отримала назву "шкала Бофорта" і нею донині користуються моряки і до неї присусідилися й вітроенергетики. В додатку 2 наведена згадана шкала і до неї додано дві графи: "вплив вітру на ВЕУ" і "Умови для роботи ВЕУ в даному діапазоні швидкості вітру". Ці дві графи та їх характеристики запропонували Дж. Твейдейл і А. Уейр в 1986 році.

Вітер є одним з найбільш потужних енергетичних джерел, який здавна використовується людиною, і при сприятливих умовах може бути утилізований в значно більших масштабах, ніж це має місце в даний час. За орієнтовними оцінками, енергія, яка безперервно надходить від Сонця, відповідає сумарній потужності, що перевищує 1011 ГВт.

Це визначає можливе річне вироблення енергії вітроагрегатами, рівне 1,18-1013 кВт*год, що у багато разів перевищує кількість енергії, споживаної сьогодні людством.

Згідно інформації Інституту відновлюваної енергетики АН України на території України в залежності від середньорічної швидкості вітру можливо виділити декілька областей, які можна використовувати для економічно вигідного виробництва електричної енергії за допомогою вітрогенераторних установок. Це, насамперед, південні області України і Криму, а також передгір'я Карпат в західних областях України.

Вітровий потік, зустрічаючи при русі на своєму шляху лопаті, віддає свою енергію вітроколесу. Внаслідок наявності аеродинамічних втрат вітроколесо використовує тільки частину потужності вітрового потоку. При цьому, в результаті безперервної зміни миттєвих швидкостей вітру в значних межах змінюється енергія вітрового потоку, а отже, потужність, що розвивається вітроколесом.

Структура вітрового потоку за спостережуваний проміжок часу характеризується рядом величин: середньою швидкістю вітру; поривчастістю вітру; мінливістю вітру; тривалістю провалів-підйомів швидкостей вітру вище або нижче середнього значення.

Енергетичні установки зазвичай використовують вітер у приземному шарі на висоті до 50...70 м, рідше - до 100...150 м від поверхні Землі, тому найбільший інтерес представляють характеристики руху повітряних потоків саме в цьому шарі.

Найважливішою характеристикою, що визначає енергетичну цінність вітру, є його швидкість. В силу ряду метеорологічних чинників (збурення атмосфери, зміни сонячної активності, кількості теплової енергії, що поступає на Землю, і інших причин), а також внаслідок впливу рельєфних умов, безперервна тривалість вітру в даній місцевості, його швидкість і напрямок змінюються за випадковим законом.

Тому потужність, яку може виробляти вітроустановка в різні періоди часу, вдається передбачати з дуже малою ймовірністю. У той же час сумарне вироблення агрегату, особливо за тривалий проміжок часу, можна розрахувати з високим рівнем достовірності, так як середня швидкість вітру і частота розподілу швидкостей протягом року або сезону змінюються незначно.

Одиницями вимірювання швидкості в Україні є метр в секунду (м/с) і кілометр на годину (км/год), за кордоном застосовують також миля на годину (1 миля/год = 0,44 м/с). Напрям вектора швидкості вимірюється в градусах або румбах і показує його кутове положення щодо напрямку (зазвичай північного), прийнятого за початок відліку.

Для вимірювання миттєвої швидкості вітру, тобто шляху повітряного потоку, пройденого ним за проміжок часу, що вимірюється секундами або навіть частками секунд, користуються анемометрами різних конструкцій. Чим менше інтервал часу усереднення швидкості, тим менше інерційним повинно бути вітроприймаючий пристрій анемометра. Тому для подібних вимірів використовують спеціальний клас приладів - мало-інерційні.

Усереднену за більш тривалі проміжки (кілька десятків секунд або хвилин) швидкість потоку вимірюють анемометрами з інтегруючими пристроями різноманітних типів, які мають також прилади для отримання візуальних відліків і реєструють частину, що забезпечує запис швидкостей на стрічку. атмосфера вітер бофорт анемометр

Похибка вимірювання швидкості анемометром може доходити до 5...7%, тому в тих випадках, коли потрібна велика точність, наприклад при випробуваннях в аеродинамічній трубі вітродвигунів і їх моделей, використовують більш складні і точні прилади.

Миттєва швидкість вітру часто визначає динамічний вплив повітряного потоку на вітродвигун. Динамічні характеристики потоку, його пориви впливають на роботу автоматичних систем регулювання й орієнтації. Кількість енергії, яку може виробити вітроагрегат, залежить в першу чергу від усередненої швидкості вітру за певний інтервал часу і по всьому перерізу потоку, що дорівнює площі поверхні, обмахувану вітроколесом. Саме ця швидкість в основному визначає також режими роботи агрегату.

Середня швидкість вітру за вибраний проміжок часу визначається відношенням суми виміряних значень миттєвої швидкості V до числа вимірювань п

(2.1)

Середньодобову швидкість знаходять розподілом на 24 суми середньогодинних швидкостей , а середньорічну - діленням на 365 суми всіх за рік.

Середні значення швидкостей в розглянутому районі, як правило, визначають за даними спостережень на метеостанціях, а в ряді випадків - за матеріалами анеморозвідок.

В залежності від категорії та класу метеостанції, вимог та особливостей об'єктів, що знаходяться поблизу від обслуговуючих станцій, метеорологічні терміни спостережень за швидкістю вітру встановлюються різні. Найчастіше прийняті інтервали в 3, 4 або 6 год. з вимірами в певний час, але на деяких метеостанціях і спеціальних об'єктах ведуть безперервний запис швидкостей або проводять щогодинні спостереження.

Середні швидкості вітру змінюються в різний час доби, різні місяці і сезони. Тому розглядають добовий, місячний і сезонний хід швидкостей, що визначає загальну тенденцію їх зміни в зазначені періоди і оцінює макроструктуру повітряного потоку.

Граничні значення швидкостей вітру, дані про його інтенсивність і мікроструктура потоку в різних точках його поперечного перерізу і поздовжнього вектора за відносно короткі інтервали часу є важливими режимними характеристиками вітру, використовуваними в розрахунках на міцність і довговічність агрегатів, при проектуванні механізмів приводу, систем регулювання та орієнтації, схем спільного використання з іншими установками та ін.

Пульсації швидкості і, отже, енергії повітряного потоку викликаються загальним характером формування структури вітру, місцевими особливостями, зокрема ландшафтними та рельєфними. Нерідко причиною руйнування вітроагрегату є не стільки загальний рівень швидкості вітру, скільки його динаміка і структура варіацій швидкості за короткі проміжки часу, тобто прискорення потоку, тривалість поривів і їх збіг в різних точках поверхні, обмахувану вітроколесом, нарешті, поривчастість потоку , що є відношенням максимально заміряної швидкості до середньої за вибраний інтервал часу (зазвичай не більше 2 хв.):

(2.2)

Поривчастість вітру є функцією ряду факторів і зональних умов і варіює в значних межах. Звичайно чим більше швидкість, тим менше , хоча абсолютні відхилення швидкості при пориві від середньої зростають.

Напрямок вітру звичайно відіграє меншу роль з точки зору його використання. Однак у кожних ландшафтних умовах вітри різних румбів мають неоднакові поривчастість і швидкість. їх повторюваність визначають по розі вітрів - графіку, що показує, який відсоток загальної пори року вітер має той чи інший напрямок (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Приклад рози вітрів

Повторюваність швидкостей вітру, які мають різні напрямки, змінюється в залежності від сезону і часу доби, в який проводиться вимірювання.

Кутові градієнти швидкості істотно впливають на роботу механізмів автоматичної орієнтації і на величину навантажень, що виникають у вузлах і деталях ВЕУ під час повороту головки в процесі її орієнтації "на вітер".

Найважливіше значення для надійності і довговічності вітроенергетичної установки мають значення граничних швидкостей вітру в зоні. Вони визначають прийняті розрахункові нормативи при проектуванні вузлів і конструкцій установки на міцність, параметри регуляторів, аеродинамічні характеристики лопатей.

Важливою характеристикою є вертикальний профіль вітру, тобто зміни його швидкості по висоті в приземному шарі. Вплив земної поверхні на швидкість і напрям вітру зменшується в міру збільшення висоти. Тому швидкість зазвичай зростає, а поривчастість і прискорення потоку знижуються. Градієнт швидкостей влітку, як правило, менше, ніж взимку, коли вертикальний перепад температур відносно невеликий.

На підставі даних спостереження швидкостей вітру по висоті деякими дослідниками виведено узагальнюючі формули для визначення швидкості вітру по висоті. З них найбільш проста залежність для висоти від 5 м і вище має наступне вираження:

(2.3)

де - швидкість вітру на висоті розташування флюгера; - висота розташування флюгера; v - швидкість, обумовлена для висоти h.

Недоліком цієї формули є те, що вона не враховує впливу підстильної поверхні на швидкість вітру, а також турбулентності потоку поблизу поверхні землі.

Якщо врахувати вплив цих факторів і, допустити, що на деякій висоті швидкість вітру дорівнює нулю, можна отримати наступну формулу:

(2.4)

де V - швидкість вітру на висоті h; - відома швидкість вітру на висоті ; - висота, на якій швидкість вітру дорівнює 0. Зазвичай розглядається як міра шорсткості підстильної поверхні; її величина дорівнює для сніжного покриву 0,5 см, для поверхні з низькою травою - 3,2 см, збільш високими рослинами - 5...7 см; см.

Підстильна поверхня і рельєф місцевості мають великий вплив на швидкість вітру.

Встановлено, що на висоті 10...20 м у рівнинному степу швидкість вітру змінюється в залежності від рельєфу місцевості. Швидкість вітру над вершинами відкрито розташованих хребтів з правильними, добре обтічними схилами без різкої зміни рельєфу, збільшується в 1,5...2 рази.

Якщо височина не представляє правильного схилу або рельєф спотворений обривом, яром і т. п., то швидкості вітру зазвичай малі. Пагорби з крутими, обривистими, кам'янистими схилами обумовлюють досить низькі швидкості вітру; тут вирішальний вплив належить висхідним і спадним потокам.

Рельєф місцевості створює так звані місцеві вітри. Якщо повітряний потік зустрічає вершину, яка стоїть окремо, то він за деяких умов може обійти її, прямуючи по долині, а не над її гребенем. У разі руху вітру між двома підвищеннями його швидкість значно зростає.

У долині між підвищеннями утворюється рід коридору, в який з силою спрямовується повітряний потік.

Таким чином, створюються місцеві вітри, що досягають іноді великої сили при порівняно малих швидкостях вітру в сусідніх відкритих ділянках. Швидкість вітру також підвищується при обтіканні пагорбів, що мають більш-менш правильний обрис поверхні.

Різні перешкоди на земній поверхні сильно впливають на швидкість зростання і напрямок повітряних течій. Частина повітряного потоку при обтіканні перешкод з прямолінійного руху переходить в хаотичний, вихровий.

Повітряні струмені, безпосередньо оточуючі краї перешкод, зриваються з них і закручуються в вихори, які несуться в напрямку повітряного потоку.

На місці віднесених з'являються нові вихори і т. д. Це вихроутворення, утворюючись на гранях перешкоди, далеко за ним поступово загасає і зовсім припиняється на відстані приблизно п'ятнадцяти кратної висоти перешкоди.

Внаслідок цього швидкість повітряного потоку при проходженні його над дахом будинку значно підвищується, а позаду перешкоди убуває не тільки на рівні самої перешкоди, але навіть на декілька більшій висоті.

Вплив перешкод на швидкість вітру в міру збільшення висоти над земною поверхнею зменшується і на деякій висоті майже пропадає. Вітри нижніх шарів слідують рельєфу місцевості.

Нерівності, що при цьому зустрічаються викликають вихори, несприятливі для роботи вітродвигунів. Нестійкість вітру як по швидкості, так і по напрямку простирається у висоту близько 80 м над землею.

Повторюваністю вітру називають суму годин, протягом яких в будь-якому певному пункті в різний час дув вітер з однаковою швидкістю. Повторюваність є основною величиною, що характеризує вітер з енергетичної сторони.

Зважаючи на непостійність вітру, вивчення його повторюваності представляє дуже складну задачу.

Російський дослідник М. М. Поморцев вперше встановив залежність, яка дає оцінку повторюваності вітрів, близької до дійсної, в районах з середньорічними швидкостями, що не перевищують 5 м/сек.

Він прийшов до висновку про показовий характер цієї залежності, що приводиться до виду нормальної кривої ймовірності Гауса:

де параметри А і В можливо визначити або способом найменших квадратів за фактичними спостереженнями для цілих значень v0, або за теоретичною залежністю:

(2.5)

де v - швидкість вітру;

v0 - середня швидкість вітру протягом обраного періоду;

п - число доданків.

Размещено на Allbest.ru