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 скорости   и 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…0,4	Штиль	Дым из труб поднимается вертикально	Нет	Отсутствуют
1	0,4…1,8	Тихий	Дым поднимается не со-всем отвесно, но флюгеры неподвижны. На воде поднимается рябь	Нет	Отсутствуют
2	1,8…3,5	Легкий	Ветер ощущается лицом, шелестят листья, на воде отчетливое волнение	Нет	Плохие для всех установок
3	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
4	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
5	8,5…11	Свежий	Начинают раскачиваться лиственные деревья, все волны в барашках	Мощность ВЭУ дости-гает 30 проектной	Очень хорошие
6	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
7	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
8	17…21	Очень крепкий	Ломаются ветки деревьев, трудно идти против ветра, с волн срываются клочья пены	Ряд ветроус-тановок на-чинает от-ключаться	Недопустимые
9	21…25	Шторм	Небольшие разрушения, срываются дымовые тру-бы	Все установ-ки отключа-ются	Недопустимые
10	25…29	Сильный шторм	Значительные разруше-ния, деревья вырываются с корнем	Предельные нагрузки	Недопустимые
11	29…34	Жесткий шторм	Широкомасштабные раз-рушения	Повреждения некоторых установок	Недопустимые
12	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