Применение энергии ветровых потоков

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ТарГУ им. М.Х. Дулати, г. Тараз

Применение энергии ветровых потоков

Бутабаева К.Е., Карнакова Г.Ж.

Ветродвигателями называются двигатели преобразующие энергию ветрового потока в механическую или электрическую энергию. Непостоянство и разреженность этой энергии обуславливают конструктивные особенности ветродвигателей: наличие приспособлений, обеспечивающих возможность работы двигателя на высоких скоростях ветра, с некоторой, примерно постоянной, мощностью, и ограничивающих число оборотов ветроколеса; относительная громоздкость ветродвигателей.

Ветроэнергетика может быть разделена на следующие части:

- теория и экспериментальные исследования ветродвигателей;

- проектирование ветродвигателей;

- изучение структуры и энергии ветрового потока;

- монтаж и рациональная эксплуатация ветроустановок.

Важнейшим разделом ветроэнергетики является теория и экспериментальные исследования ветродвигателей, базирующиеся на аэродинамике - науке, изучающей движение воздуха и исследующей действие воздуха на соприкасающиеся с ним тела.

Аэродинамика в свою очередь подразделяется на теоретическую и экспериментальную.

Теоретическая аэродинамика основана на законах механики, применяемых к газообразным телам; экспериментальная - на результатах опытных исследований, проводимых в аэродинамических трубах и в природных условиях.

При проектировании ВЭУ необходимо учитывать следующие особенности режимов их работы, оказывающих значительное влияние на создаваемое электрооборудование:

- целесообразность сохранения постоянного значения коэффициента быстроходности ветроколеса (создается изменением частоты вращения при изменении скорости ветра) для обеспечения максимальной эффективности его работы. Это требование должно согласовываться с требованием поддержания постоянной частоты и значения генерируемого напряжения;

- достаточная сложность механических систем управления частотой вращения ветроколеса. Дешевле и эффективней это можно обеспечить регулированием частоты вращения электрическим путем;

- оптимальная частота вращения ветроколеса тем меньше, чем больше его радиус. Только при очень малых размерах ветроколеса (до 2 м), а, следовательно, и малых мощностях ВЭУ можно осуществить его непосредственное соединение с генератором. При более значительных размерах ветроколеса и мощностях приходится использовать мультипликаторы, альтернативой которым могут являться новые конструкции многополюсных генераторов, работающих при низких частотах вращения, но выдающих в сеть напряжение промышленной частоты;

- ВЭУ является сложной механической системой с упругими связями, содержащей распределенные массы. Это делает систему склонной к возникновению собственных колебаний, которые могут попадать в резонанс с вынужденными колебаниями, обусловленными колебаниями ветрового потока или электрической нагрузки;

- вследствие частых изменений скорости и направления ветра на ВЭУ существуют колебания и изменения вырабатываемой мощности;

- для ВЭУ больших мощностей с горизонтальной и особенно с вертикальной осью вращения требуется обеспечивать принудительный пуск.

Скорость ветра классифицируется метеослужбами по исторически сложившейся шкале Бофорта, в основе которой лежат визуальные наблюдения. Скорость ветра при стандартных метеорологических измерениях определяется осреднением за 10-минутный отрезок времени показаний анемометра, находящийся на 10-метровой высоте. Эти измерения могут повторяться каждый час, но обычно они проводятся значительно реже, поэтому по ним трудно судить о флуктуациях скорости ветра и его направления, что необходимо для расчета характеристик ветроустановок. Для непрерывного измерения скорости ветра можно использовать специальные анемометры, но они тоже довольно инерционны. Направление ветра определяется стороной света, откуда дует ветер. Метеоданные о направлении ветра обычно представляют в виде розы ветров , показывающей среднюю скорость ветра в различных направлениях. На розе вместо средней скорости могут быть показаны для каждого направления распределения ветра по скорости. Информация о направлении ветра чрезвычайно важна, когда ветроустановки размещают в горной местности, вблизи зданий или других ветроустановок, т.е. в тех случаях, когда возможно их затенение при некоторых направлениях ветра.

Скорость ветра, измеренная за очень короткий период (1-2 с), называется мгновенной, или действительной. Для измерения мгновенной скорости ветра используются флюгер Вильда или малоинерционные анемометры; осредненную скорость за длительные промежутки измеряют анемометрами различных типов. Флюгер Вильда имеет подвешенную металлическую пластину, которая благодаря повороту флюгера всегда перпендикулярна к направлению ветра. Ветер отклоняет пластину, и по величине угла наклона можно определить скорость ветра на данный момент времени.

Анемометр состоит из крестовины с чашками-полушариями на ее концах и коробки со счетчиком. Неодинаковые формы поверхностей вызывают разность давлений по обе стороны вертикальной оси крестовины, вследствие чего она вращается.

Цифры на счетчике анемометра покажут число метров, на которые переместился воздушный поток за время наблюдения. Замеры (длительностью 2 минуты) можно повторить и определить среднюю скорость ветра за определенный промежуток времени.

Средние скорости ветра существенно меняются в течение суток, месяца и сезона. В соответствии с этим различают суточный, месячный, сезонный и годовой ход скорости ветра. На земной поверхности в суточном ходе скорости ветра минимум наблюдается в ночные часы, когда ветер часто ослабевает до штиля. После восхода солнца ветер обычно усиливается, и скорость его достигает максимума в 13-14 часов. Затем скорость ветра снова уменьшается. Изменение скорости ветра днем происходит быстрее, чем ночью. Такой характер суточного хода скорости ветра наблюдается в слое около 100 м летом и около 50 м зимой.

Рис. 1 Инструменты для измерения скорости ветра: а) анемометр с доской (флюгер); б) ручной индукционный анемометр; в) анеморумбометр электрический; с) ручной анемометр с полушариями для замера средних скоростей ветра

Годовой ход скорости ветра зависит от климатических условий. В умеренных широтах Северного полушария максимум скорости ветра наблюдается в зимнее время года, минимум - летом. Объясняется это тем, что в зимнее время контрасты температур между экватором и полюсом больше, чем летом, и соответственно больше горизонтальных барических градиентов, которые являются силой, приводящей в движение массы воздуха.

Скоростью ветра называют путь в метрах, проходимый массой воздуха в течение 1 секунды. Скорость ветра постоянно меняется по величине и направлению. Основной причиной этих изменений является неравномерное нагревание земной поверхности и неравномерности рельефа местности.

Скорость ветра является важнейшей энергетической характеристикой ветра. Измеряется скорость ветра специальными приборами - анемометрами.

В зависимости от имеющейся аппаратуры для измерения скорости ветра и целей исследований можно определять среднюю часовую, среднесуточную, среднемесячную и среднегодовую скорости ветра.

По данным метеостанций за многолетний период наблюдений можно сделать общие выводы о распределении средних скоростей ветра.

Суточный ход скоростей ветра характеризуется тем, что максимальные скорости обычно наблюдаются в середине или во второй половине светового дня. В течение суток летом в равнинных местностях скорости ветра наиболее сильны днем и имеют наименьшее значение ночью.

В нагорных и предгорных областях ночные скорости ветра сильнее дневных. Зимой скорости ветра примерно одинаковы по значению ночью и днем.

Как правило, районы, расположенные у побережья морей, отличаются наиболее сильными ветрами.

Последовательное уменьшение скоростей ветра с севера на юг климатически закономерно для равнинного Казахстана. Здесь имеет место определенная зональность, что хорошо прослеживается по территориальному распределению средней многолетней годовой скорости ветра.

Выделяются восточное побережье Каспийского моря и ряд горных районов республики, отличающихся местными ветровыми условиями.

В основных степных и лесостепных районах Казахстана, примерно к северу от Уральска-Тургая-Караганды-Павлодара, средние многолетние скорости ветра преимущественно колеблются в пределах 4,5...5,0 м/с. К югу от этой зоны, за исключением восточного побережья Каспийского моря, основных пустынных массивов юга и юго-востока Казахстана, а также узкой зоны, проходящей с севера на юг рез Семипалатинск-Уч-Арал, средние за год скорости ветра снижаются до 4,0...4,5 м/с.

Внутри этой части республики выделяется массив со среднегодовой скоростью ветра 3-4 м/с.

Рис. 2 Распределение среднегодовых скоростей ветра по территории Казахстана

В пустынях Кызыл-Кум, Бекпак-Дала и в Приаральских песках средние годовые скорости ветра снижаются до 3...4 м/с. С приближением к горным массивам, расположенным на юге, юго-востоке и востоке Казахстана скорости ветра уменьшаются до 2...3 м/с; а по узкой предгорной зоне даже до 1...2 м/с в среднем за год. В этих районах республики, как и в других ее частях, выделяются очаги с повышенными годовыми скоростями ветра. К их числу следует отнести такие районы как Джунгарские ворота, Курдайский перевал и т.д.

Незначительные скорости ветра на крайнем юге, юго-востоке и востоке Казахстана обуславливаются в основном высокими и мощными горами Алтая, Джунгарии, Тянь-Шаня и т.д., создающими на значительном расстоянии от себя широкую зону относительного ветрового затишья. Однако в межгорных проходах, а также на горных перевалах возникают местные условия усиления ветра.

В зимние и осенние месяцы для Северного, Западного и Восточного регионов среднемесячные скорости ветра значительно превышает соответствующие значения в летние месяцы, а также среднегодовое значение скорости ветра. Для Южного региона республики отличительной особенностью является то, что средняя скорость ветра в летние месяцы превышает скорость ветра в зимние месяцы и среднегодовое значение.

На скорость ветра оказывают влияние наличие различных препятствий и характер подстилающей поверхности.

Часть воздушного потока при обтекании препятствий из прямолинейного движения переходит в беспорядочное, вихревое. Воздушные струи, непосредственно обтекшие края препятствий, срываются с них и закручиваются в вихри, которые уносятся в направлении воздушного потока. На месте унесенных появляются новые вихри и т.п. Это вихреобразование, происходя на гранях препятствия, постепенно затухает далеко за ним и совершенно прекращается на расстоянии, равном приблизительно пятнадцатикратной высоте препятствия.

По среднегодовым скоростям ветра обычно принято судить о возможном количестве энергии ветра, протекающем в том или ином районе в течение года. Необходимо отметить, что среднегодовые скорости ветра, будучи одинаковыми для каких-либо районов, расположенных более или менее далеко друг от друга, могут давать совершенно различные количества энергии. Объясняется это тем, что среднегодовые скорости ветра - это среднеарифметические величины чисел в первой степени, в то время как энергия ветра пропорциональна сумме кубов этих чисел.

ветродвигатель энергия скорость

Литература

1. Андрианов В.Н., Быстрицкий Д.Н., Вашкевич К.П. и др. Ветроэлектрические станции. - Л. :Госэнергоиздат, 1993.-319 с.

2. Ветроэнергетика: Новейшие разработки /Под ред. Д.Рензо.-М: Энергоатомиздат. 1982.

3. Гидрогеотермические ресурсы юга и северо-востока Казахстана-Н.М. Бондаренко М.С. Ким, С.М.Мухаметжанов и др.-Алма-Ата:Наука,1-88.-127с.

4. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра.-М:Энергоатомиздат. 1983.

Размещено на Allbest.ru