8.6. Характеристики ветра.

Направление ветра определяется стороной света, откуда дует ветер. Метеоданные о направлении ветра представяют обычно в виде розы ветров.

Скорости ветра на разных высотах различны. Наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая, куполообразная, ничем не затенённая, возвышенность. Как правило, головки ветроустановок находятся на высоте от 5 до 50м. Для определения скорости ветра на высоте z₂ пользуются эмпирической зависимостью степенного вида:

u(z₂) = u(z₁)*(z₂/z₁)^m (8.28.)

где u(z₁) – скорость ветра, измеренная на высоте 10м;

u(z₂) – скорость ветра на высоте.

Показатель степени (m) принимается равным 0,2. Однако, этот показатель зависит также и от времени года (таблица 8.5.).

Таблица 8.5.

Коэффициент возрастания средней скорости ветра с высотой V(h₂)/V(h₁) и показатель степени m.

Сезон	Высота,м						m
	10	20	40	60	80	100
Зима	1	1,12	1,26	1,35	1,43	1,50	0,17
Весна	1	1,17	1,36	1,50	1,59	1,66	0,22
Лето	1	1,18	1,40	1,55	1,67	1,76	0,24
Осень	1	1,12	1,26	1,35	1,43	1,50	0,17
Год	1	1,15	1,32	1,44	1,53	1,60	0,20

Важными составляющими ветроэнергетческого кадастра являются временные характеристики скорости ветра. Это изменение скорости ветра в течение суток, месяца и года. В большинстве прикладных задач ветроэнергетики гораздо важнее знать не суммарное количество энергии, которое может выработать ветроустановка, например, за год, а ту мощность, которую она может обеспечивать постоянно.

8.7. Использование ветроколесом энергии ветра.

Величина коэффициента мощности С_р в рабочем диапазоне скорости ветра зависит в основном от быстроходности ветроколеса Z. Основные требования для выбора ветроколеса:

1. Максимизировать производство энергии за год, чтобы уменьшить потребность в топливе дизельной электростанцией.

2. Обеспечить производство определённогоминимума энергии даже при слабом ветре.

Энергией, переданной ветровым потоком ветроустановке, является энергия на валу ветроколеса.

8.8. Удельные мощность и энергия ветрового потока.

Мощность ветрового потока Р, протекающего со скоростью u₀ через поперечное сечение А₀ определяется выражением:

Р = ρ*А₀*u_o³/2, (8.29.)

где ρ – плотность воздуха, кг/м³ ;

Удельная мощность ветра, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения, равна:

Р_уд = (1/2)*ρ*u_o³ (8.30.) Среднегодовая удельная энергия ветра W_уд (энергия, протекающая за год через 1м² поперечного сечения) зависит от повторяемости скоростей ветра, т.е. от того, какую долю годового времени t_i дул ветер с той или иной скоростью u_i и определяется выражением:

W_уд= ∑_i=1^kР_уд*t_i = (1/2)*ρ*N∑_i=1^kt_i*u_i, (8.31.)

где N = 8760 число часов в году;

k– число градаций скорости ветра;

t_i – доля месячного времени.

Из – за кубической зависимости мощности от скорости ветра наибольший вклад дают не наиболее часто наблюдаемые и даже не средние скорости ветра, а скорости, превышающие последние в 1,7 – 1,9 раза. Зная среднегодовую скорость ветра, его вертикальный профиль и повторяемость скорости ветра, можно дать энергетическую характеристику ветрового потока в любом районе. Среднегодовая мощность ветра:

Р_ср = W_уд /N (8.32)

Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом утилизации энергии ветра. КПД электрогенератора – 95%. При проектировании ветроэлектрических установок надо учитывать следующие их особенности:

1. Для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса следует изменять частоту его вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности, в от же время для максимально эффективной работы электрогенератора необходима практически постоянная частота вращения;

2. Эффективнее и дешевле управлять частотой вращения электрогенератора, изменяя его электрическую нагрузку;

3. Оптимальная частота вращения ветроколеса тем меньше, чем больше его радиус. При больших размерах ветроколеса приходится использовать повышающие редукторы, удорожающие ветроустановку и её обслуживание;

4. В конструкции ВЭУ предусматривается возможность отключения электрогенератора от ветроколеса и вращения его от химического или механического аккумулятора энергии.

Кроме того, следует учитывать специфические требования, предъявляемые к выходным параметрам ВЭУ:

- наиболее благоприятные ветровые условия существуют в малонаселённых районах, на островах и в море.

- систему электроснабжения необходимо строить так, чтобы она могла обеспечивать потребителей дешёвой электроэнергией с нестабилизированными параметрами (для отопления) и дорогой, но со стабильными параметрами (электродвигатели).

- ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии или быть запараллелеными другими электроэнергетическими установками.

Различают три класса ВЭУ:

Класс А: мощность ветроэлектрогенератора является определяющей. К этому классу относятся отдельно стоящие одногенераторные ВЭУ. Их мощность не превышает 5 кВт.

Класс В: Мощность ветроэлектрогенератора одного порядка с мощностью других генераторов системы. Это характерно для небольших энергосистем в отдалённых районах. Чаще всего «другим генератором» является дизельный электрогенератор. Дизельный генератор может включаться только в безветрие и может работать параллельно с ветрогенератором при слабом ветре.

Класс С: ветроэлектрогенератор подключён к энергосистеме, значительно более мощной, чем его собственная мощность. При этом ВЭУ используется непосредственно, а её излишки подаются в энергосистему. Используются следующие приёмы, позволяющие изменять частоту вырабатываемой генератором электроэнергии:

- увеличение числа полюсов генератора при падении частоты вращения ветроколеса;

- выпрямление переменного тока ВЭУ и затем преобразование его снова в переменный с заданными параметрами;

- за счёт включения активной нагрузки в обмотку генератора.