2. Ветер - как источник энергии - энергоноситель.
Ветер - это естественный перенос воздушных масс. Он образуется при неодинаковом и неравномерном направлении Солнцем различных зон поверхности нашей планеты: поверхности суши и поверхности океана; значительным фактором является и вращение Земли вокруг своей оси, при этом неравномерно распределяется давление в различных слоях атмосфера (оно не одинаково)
В отличие от прогнозируемой возможности использования энергии Солнца в гелиоколлекторах и в фотоэнергетических установках, ветер по многим своим показателям менее предсказуем.
Поэтому ветроэнергетика сложна и во многом зависит от климатических условий, от рельефа местности, от наличия растительности и строений. Это требует особо тщательного выбора места расположения ветроустановок.
Только значения реальных данных по показателям ветрового потока позволяют выбрать конструктивную схему установки, определить размер её различных органов и узлов. Выполнить прочностной расчет её рабочих органов и основных элементов на прочность, на жесткость, на долговечность (усталостная прочность). Какие показатели ветрового потока необходимо учитывать при создании и эксплуатации ВЭУ?
2.1. Плотность воздуха.
Чем больше воздушная масса, тем быстрее вращаются лопасти ветроколеса тем, больше количество ветровой энергии. Плотность зависит от количества молекул в единицу воздуха.
При нормальном атмосферном давлении ( 760 мм.рт.ст.) и температуре 15̊С, плотность равна 1,225 кг/м3.
Зимой при понижении температуры плотность воздуха больше, чем летом при одинаковой скорости ветра.
Высота над уровнем моря (в горах) атмосферное давление меньше, соответственно плотность воздуха меньше.
2.2. Скорость ветра.
Это наиболее важный фактор, влияющий на количество энергии, вырабатываемой ВЭУ. Большая скорость ветра увеличивает объем приходящих воздушных масс, и энергия ветра пропорциональна кубу скорости ветра.
Измерить скорость ветра на местности предполагаемой для установки ВЭУ необходимо на той высоте, где будут располагаться ветроколеса, а не у самой земли и не на высоте 100-200 метров.
Для получения надежных данных статических данных эти измерения необходимо проводить в течение года (не менее). Чтобы прогнозировать картину эффективного использования ВЭУ в течение года.
Необходимо сравнить с архивными данными метеостанции, обязательно учесть, на какой высоте были пролечены данные. Даже если измерения проводились на иной высоте, чем предполагается ВЭУ, динамика изменения скорости ветра в определенной мере должна совпадать с нашими и статическими данными.
Измерение скорости ветра выполняется при помощи чашечного анемометра. Существуют более современные ультразвуковые и лазерные анемометры.
Скорость ветра изменяется, как правило, всегда, это зависит от климатических условий местности, от погоды, времени года, от рельефа местности, от наличия или возникновения препятствий на пути ветра.
При быстром изменении скорости ветра воздействие на скорость вращения ветроколеса несколько сглаживается, компенсируется, инерционностью ротора турбины.
Шкала скорости ветра и названия типов ветрового потока
В случае если на пути ветра встречается холм или неровности местности, возникает турбулентность воздушного потока, которая может свести на нет большую скорость ветра.
2.3. Турбулентность - это местное изменение направления и скорости ветра. Турбулентность является причиной не только менее эффективного использования энергии ветра, но и причиной ускоренного заноса установки. Она вызывает разностороннее изменяющееся нагрузки.
Основным фактором, влияющим на уменьшение скорости ветра и возникновение турбулентности, является рельеф поверхности: высокая растительность, наличие строений. С удалением от поверхности земли уменьшается влияние неровности рельефа и увеличивается, стабилизируется ламинарность ветровых потоков.
Чем выше, тем больше скорость потока и тем ламинарнее поток.
Оказывается, над ровной водной поверхностью больше и скорость ветра и отсутствует турбулентность. Но, влияние островов может быть ощутимо даже на расстоянии до 20 км.
Параметры возникновения турбулентности
Рис.1. Влияние строений в городах и сельской местности на возникновение турбулентности ветрового потока.
Влияние турбулентности возможно избежать путями:
- при небольшой высоте башни установки, соизмеримой с высотой здания эту ветроустановку следует разместить на расстоянии десятикратной высоты здания – препятствия или на большем расстоянии;
- высота ветроустановки должна в два раза превосходить высоту ближайшего здания. Если ветроустановка высокая, то можно разместить её ближе 2… 3Н.
Рис.2. Влияние растительности лесов и посадок на образование турбулентности потока.
При расположении ветроустановок необходимо соблюдать те же рекомендации что и при расположении относительно строений, т.к. эффект действия турбулентности уменьшается по мере отдаления от препятствия создающего турбулентность или по мере увеличения высоты башни ветроустановки.
Над ровной водной поверхностью турбулентность возникает только при наличии островов, но она может быть ощутима на значительно большем расстоянии.
Рассмотрим примеры влияния других препятствий типа столбов отдельно стоящих зданий или неровностей местности.
Рис.3. Влияние геометрии и протяжённости волнистости местности.
Над пологим холмом значительной протяженности ветровой поток выравнивается и приближается к горизонтальному. Возможно расположение ВЭУ примерно на равном расстоянии от восходящей и нисходящей сторон холма, где поток приближается к горизонту.
Крутой холм небольшой протяженности с отвесно (или близко к этому) расположенными сторонами создает гораздо большую турбулентность, причем с одной и противоположной стороной этого холма и располагать ВЭУ на таком холме не рекомендуется.
При рассмотрении процессов взаимодействия лопастей ВЭУ в с потоком воздуха, необходимо учитывать такое явление как сдвиг ветра. Это уменьшение скорости ветрового потока по мере приближения к поверхности земли.
Это необходимо учитывать при проектировании ВЭУ, если ветроколесо имеет большой диаметр (несколько десятков метров 25…50 м), но высота башни незначительна (20…35 м) то ветер, воздействующий на конец лопасти, находящейся в верхней позиции, будет иметь максимальную скорость и оказывать максимальное давление, а ветровой поток, воздействующий на поток нижней лопасти, будет минимальный. И каждая из этих лопастей (или одна и та же) лопасть, которая при вращении колеса опускается с верхней позиции на нижнюю, будет испытывать различные изгибающие моменты и создавать различные крутящие моменты, поворачивающие ветроколесо. Это может привести к разрушению не только ветроколеса, но и всей установки. Подобно этому опасно и турбулентность потоков, в таких условиях имеются примеры разрушения ВЭУ высотой менее 30 м.
2.4. Эффект от «следа» ветряка.
В подветренном от ветряка направлении, т.е. позади турбины, всегда возникает турбулентный след - этот длинный хвост ветрового потока будет беспорядочным и замедляющим по сравнению с прибывающим воздухом. Поэтому на ветровых электростанциях с большим количеством ВЭУ ветряки должны располагаться на значительном расстоянии, т.е. более тройной длины диаметра ротора. В этом случаи, возможно, избежать турбулентных потоков вокруг ветряка. Значительно лучше устанавливать на большем расстоянии 5-15 диаметров ротора.
2.5. Направление ветра по отношению к плоскости вращения ветроколеса.
Направление ветра должно быть перпендикулярным к плоскости вращения, так как это обеспечивает наибольший КПД установки.
Золотое правило: ветроколесо должно возвышаться над окружающими препятствиями (находящимися в радиусе 100 метров) на 10 и более метров. А минимальная высота установки должна быть не меньше, а более 15 м. Чем выше, тем лучше.
2.6. Ветроэлектростанции морского базирования, называемые - офшорные ВЭС.
В связи со значительным и увеличивающимся распространением ВЭУ, сокращается количество пригородных площадей для установки новых. В связи с этим внимание исследователей и создателей ВЭУ оказалось направленным на изучение возможностей расположения ВЭУ в прибрежных морских зонах мелководья глубиной менее 30 метров и на расстоянии от берега не более 30 км.
В этих местах скорость ветра больше, чем над сушей примерно на 10% и увеличение выработки энергии достигает 30 %.
Офшорные технологии со стационарным или плавучим базированием ВЭУ имеют меньшие ограничения с точки зрения неоднородности ветрового потока и с точки зрения охраны окружающей среды, предъявляющей требования к уменьшению шумового воздействия и распространению низкочастотных колебаний (звуковых).
Большие капитальные затраты при морском базировании окупаются большей выработкой электроэнергии, сохранением сельскохозяйственных земель и экологическими факторами.
Первая в мире офшорная ВЭС построена в 1991 году на юге Дании, она состоит из 11 ветряков мощностью по 450 кВт на расстоянии от 1,5 до 3 км от береговой линии. Высоковольтные трансформаторы находились, непосредственно в башне и первый прирост энергии составил до 20% в сравнении с береговыми.
Вторая ВЭС построена в Дании на глубине от 3-5 м, состоит из 10 ветряков мощностью по 500 кВт и диаметром колеса 39 метров с тремя лопастями, расположенными с наветренной стороны.
Работа каждого ветрогенератора контролируется и управляется из берегового центра по 6-ти километровому подводному кабелю (управление энергосистемой), а от датчиков турбины (скорость ветра, направление) - по системе радиосвязи.
В настоящее время офшорные станции продолжают строиться в Дании, Нидерландах, Швеции.