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