В годы так называемого «энергитического кризиса» (начало 70-хгодов), вызванного увеличением во всем мире потребления энергии, постепенным сокращением запасов традиционных энергоресурсов и ростом цен на жидкое топливо, во многих странах резко расширились работы по использованию возобновляющихся источников энергии, в первую очередь Солнца, ветра, теплоты недр Земли  и др. В соответствии с национальными энергетическими программами созданы новые более эффективные ветроустановки и станции с единичной мощностью до 2-3 Мвт, ведутся разработка новых конструкций и поиск экономичных  технологий преоброзования энергии ветра в электрическую, химическую энергию и теплоту. По существу ставится и решается проблема  технического перевооружения этого направления энергетики на основе широкого использования результатов фундаментальных и прикладных исследований, внедрения достижений НТР.

Дальнейшее развитие ветроэнергетики как отрасли науки и техники, разрабатывающей теоритические основы , методы и средства использования энергии ветра для производства механической, электрической энергии и теплоты, является важной народнохозяйственной проблемой. Одна из задач отрасли- на каждом из этапов развития страны определять масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве.Из двух составных частей ветроэнергетики- ветротехники и ветроиспользования – первая призвана разрабатывать теоретические основы и совершенствовать практические приемы проектирования технических средств, вторая – обосновывать и решать  теоретические и практические вопросы оптимального использования ресурсов ветровой энергии, рациональной эксплуатации установок, определения их технико- экономических показателей, обобщения и распространения опыта применения ветроустановок в различных отраслях, зонах и условиях, чтобы решить главную задачу – обеспечить потребность страны в энергии.

§1.2ВЕТЕР КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ.

Ветер в приземном слое образуется вследствие неравномерного нагре­ва земной поверхности Солнцем. Поскольку поверхность Земли неодно­родна, то даже на одной и той же широте суша и водные пространства, горы и лесные массивы, пустыни и болотистые низины нагреваются по-разному. В течение дня над морями и океанами воздух остается сравни­тельно холодным, поскольку значительная часть энергии солнечного излу­чения расходуется на испарение воды или поглощается ею. Над сушей воздух прогревается больше, расширяется, снижает свою массовую плот­ность и устремляется в более высокие слои над землей. Его замещают бо­лее холодные, а следовательно, более плотные воздушные массы, распо­лагавшиеся над водными пространствами, что и приводит к возникнове­нию ветра как направленному перемещению больших масс воздуха. Эти местные ветры, образующиеся в прибрежных зонах, носят название бри­зов. Годовые изменения температуры в береговых районах больших мо­рей и океанов вызывают циркуляцию более крупного масштаба, чем бри­зы, называемые муссонами. Они делятся на морские и материковые, от­личаются, как правило, большими скоростями и в течение ночи меняют свое направление. Аналогичные процессы происходят в гористых местах и долинах вследствие разных уровней нагрева экваториальных зон и полю­сов Земли и многих других факторов. Характер циркуляции земной ат­мосферы усложняется вследствие сил инерции, возникающих при враще­нии Земли. Они вызывают различные отклонения воздушных течений, об­разуется множество циркуляции, в большей или меньшей мере взаимо­действующих между собой.

Сила и направление ветра в различных зонах по-разному изменяются в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Так, на экваторе близко к земной поверхности расположена зона с относительно небольшими и переменными по направлению скоростями ветра, а в верхних слоях возни­кают достаточно большие по скорости воздушные потоки в восточном направлении. На высоте от 1 до 4 км от поверхности Земли, в зоне между 30° северной и южной широт образуются достаточно равномерные воз­душные течения, называемые пассатами. В северном полушарии ближе к поверхности Земли их средняя скорость составляет 7 — 9 м/с.

Вокруг зоны пониженного давления образуются крупномасштабные циркуляции воздушных масс — в северном полушарии против направле­ния движения часовой стрелки, а в южном — по направлению ее движе­ния. Вследствие наклона 23,5° оси движения Земли к плоскости ее враще­ния относительно Солнца происходят сезонные изменения тепловой энер­гии, получаемой от него, величина которых зависит от силы и направле­ния ветра над определенной зоной земной поверхности. 36

На относительно большой высоте над поверхностью Земли (в среднем 8-12 км) в тропосфере возникают достаточно равномерные и мощные воздушные течения, получившие название струйных. Их образование вызвано особенностями высотной атмосферной циркуляции, поэтому характеристики струйных течений существенно отличаются от параметров приземного ветра.

Размеры струйных течений в поперечнике достигают 400-600 км, а протяжен­ность - др 1000 км. Обычно они не подвержены большим сезонным изменениям, но могут менять свое расположение по высоте. Так, над Восточной Сибирью и Чу­коткой они иногда опускаются до высоты 3-4 км от поверхности Земли. Ско­рости воздушных масс в ядре струйного течения составляют 30-80 км/ч, но часто доходят до 200 км/ч.

Таким образом, тепловая энергия, непрерывно поступающая от Солнца, преобразуется в кинетическую энергию движения в атмосфере огромных масс воздуха, циркуляция которых и называется ветром.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРА

Ветер является одним из наиболее мощных энергетических источников, который издавна используется человеком, и при благоприятных условиях может быть утилизован в интересах народного хозяйства в значительно больших масштабах, чем это имеет место в настоящее время. По ориенти­ровочным оценкам, энергия,'которая непрерывно поступает от Солнца, соответствует суммарной мощности, превышающей 1011 ГВт. Это опре­деляет возможную годовую выработку энергии ветроагрегатами, равную 1,18 • 1013 кВт -ч, что во много раз превышает количество энергии, потреб­ляемой сегодня в мире. По оценкам МИРЭК, ежегодно в мире потребляет­ся около 3 млрд. т условного топлива. В развитых странах потребление достигло 0,6 т условного топлива в год на одного человека, в развиваю­щихся - в 3 раза меньше.

Энергетические установки обычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50 - 70 м, реже - до 100 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют характеристики движения воздушных потоков именно в этом слое. В дальнейшем, по мере создания соответ­ствующих технических средств, могут оказаться практически ценными также струйные течения, характерные для тропопаузы.

Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую цен­ность ветра, является его. скорость. В силу ряда метеорологических факто­ров (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности, коли­чества тепловой энергии, поступающей на Землю, и других причин), а также вследствие влияния рельефных условий непрерывная длительность ветра в данной местности, его скорость и направление изменяются по слу­чайному закону. Поэтому мощность, которую может вырабатывать ветро-установка в различные периоды времени, удается предсказывать с очень малой вероятностью. В то же время суммарную выработку агрегата, осо­бенно за длительный промежуток времени, можно рассчитать с высоким уровнем достоверности, так как средняя скорость ветра и частота распре­деления скоростей в течение года или сезона изменяются мало.

Единицами измерения скорости в СССР являются метр в секунду (м/с) и километр в час   (км/ч), за рубежом применяют также миля в час(1 миля/ч = 0,44 м/с). Направление вектора скорости измеряется в граду­сах или румбах и показывает его угловое положение относительно направ­ления (обычно северного), принятого за начало отсчета.

Для измерения мгновенной скорости ветра, т.е. пути воздушного пото­ка, пройденного им за промежуток времени, измеряемый секундами или даже долями секунд, пользуются анемометрами различных конструкций. Чем меньше интервал времени усреднения скорости, тем менее инерцион­ным должно быть ветроприемное устройство анемометра. Поэтому для подобных измерений используют специальный класс приборов - мало­инерционные.

Усредненную за более длительные промежутки (несколько десятков се­кунд или минут) скорость потока измеряют анемометрами и интегрирую­щими устройствами разнообразных типов, которые имеют также приборы для получения визуальных отсчетов и регистрирующую часть, обеспечи­вающую запись скоростей на ленту. Погрешность измерения скорости анемометром может доходить до 5 —7%, поэтому в тех случаях, когда тре­буется большая точность, например при испытаниях в аэродинамической трубе ветродвигателей и их моделей, используют трубку Пито, соединен­ную с микроманометром. На некоторых метеостанциях наряду с анемо­метром иногда еще используют флюгер Вильда, но он не дает требуемой точности измерений скорости, и практически для получения данных с целью проведения энергетичееких расчетов он непригоден.

Мгновенная скорость ветра часто определяет динамическое воздейст­вие воздушного потока на ветродвигатель. Динамические характеристи­ки потока, его порывы влияют на работу автоматических систем регули­рования и ориентации. Количество энергии, которую может выработать ветроагрегат, зависит в первую очередь от усредненной скорости ветра за определенный интервал времени и по всему сечению потока, равному площади поверхности, ометаемой ветроколесом. Именно эта скорость в основном определяет также режимы работы агрегата.

Средняя скорость ветра v за выбранный промежуток времени Т = t2—t1 определяется отношением суммы измеренных значений мгновен­ной скорости Vj к числу измерений n:

 Среднесуточную скорость vсут находят делением на 24 суммы среднеча­совых скоростей v4, а среднегодовую vr — делением на 365 суммы всех

vcyT за год.

Средние значения скоростей в рассматриваемом районе, как правило, определяют по данным наблюдений на метеостанциях, а в ряде случаев — по материалам анеморазведок. В зависимости от категории и класса метеостанции, требований и особенностей объектов, находящихся побли­зости от обслуживающих станций, метеорологические сроки наблюдений за скоростью ветра устанавливаются различные. Чаще всего приняты интервалы в 3, 4 или 6 ч с измерениями в определенное время, но на части метеостанций и специальных объектов ведут непрерывную запись ско­ростей (например, на Московской и других телебашнях, при некоторых аэропортах, в зонах с аномальным ветровым режимом и т.д.) или прово­дят ежечасные наблюдения.

Класс открытости метеостанции, степень защищенности (затененности препятствиями) анемометра учитывают при измерениях скорости ветра различных направлений (по румбам). Для классификации станций поль­зуются специальной методикой, предложенной В.Ю. Милевским, которая изложена в литературе по метеорологии. Методика обеспечивает возмож­ность лучшей сопоставимости наблюдений, их репрезентативности для обслуживаемой зоны. На метеостанциях получают и накапливают доста­точно точные для практики сведения о среднепериодных скоростях, ко­торые в сравнении с данными, вычисленными по среднечасовым скорос­тям, дают относительно небольшую погрешность. Надо иметь в виду, что на показания анемометров влияют их расположение, макро- и микро­рельеф местности, класс открытости метеостанции. Это следует учиты­вать при пересчете скоростей для определенной высоты и для каждого конкретного района, где предполагается установка ветроагрегата, даже если он расположен сравнительно недалеко от станции.

Средние скорости ветра меняются в различное время суток, разные ме­сяцы и сезоны. Поэтому рассматривают суточный, месячный и сезонный ход скоростей, определяющий общую тенденцию их изменения в ука­занные периоды и оценивающий макроструктуру воздушного потока. Предельные значения скоростей ветра, данные об его интенсивности и микроструктура потока в различных точках его поперечного сечения и продольного вектора за относительно короткие интервалы времени яв­ляются важными режимными характеристиками ветра, используемыми в расчетах на прочность и долговечность агрегатов, при проектировании механизмов привода, систем регулирования и ориентации, схем совмест­ного использования с другими установками и др.

Важной характеристикой является вертикальный профиль ветра, т.е. изменения его скорости по высоте в приземном слое. Влияние зем­ной поверхности на скорость и направление ветра уменьшается по мере увеличения высоты. Поэтому скорость обычно возрастает, а порывис­тость и ускорения потока снижаются. Градиент скоростей летом, как правило, меньше, чем зимой, когда вертикальный перепад температур относительно небольшой. При адиабатическом градиенте температуры в нижних слоях атмосферы вертикальный профиль ветра v (К) аппроксими­руется зависимостями вида

Важнейшее значение для надежности и долговечности ветроэнергети­ческой установки имеют значения предельных скоростей ветра в зоне. \ Они определяют принимаемые расчетные нормативы при проектировании узлов и конструкций установки на прочность, параметры регуляторов, аэродинамические характеристики лопастей. При определении расчетных значений максимальных скоростей ветра различной вероятности, поль­зуются формулой Л.С. Гандина и Л.Е. Анапольской

где F(x) — вероятность того, что v превзойдет заданное значение х; (1, у - параметры уравнения, зависящие от характеристик зоны и режи­мов ветра; е — основание натурального логарифма.

Для оценки относительной скорости ветра в метеорологической прак­тике используют коэффициент, %,

где - — измеренная в определенный час скорость; v - средняя скорость за выбранный промежуток времени; vmax> vmin — экстремальные значе­ния скорости ветра за этот период.

Линии, соединяющие точки на карте, имеющие равные величины К', называются изоплетами.

Энергия Е воздушного потока с поперечным сечением F, Дж:

E = mv2/2.                                                                                      

Секундная масса т воздуха, протекающая со скоростью v через это сече­ние, кг/с:

m =pFv.                                                                                          

Подставляя E в m, получаем, Дж/с,

E = pv3F/2,                                                                                     

где р — плотность воздуха, равная для нормальных условий 1,23 кг/м3 (при t = 15 °С и р = 101,3 кПа или 760мм рт. ст.).

Таким образом, энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости. Ветроколесо может преобразовать в полезную работу только часть этой энергии, которая оценивается коэффициентом использования энергии ветра £. Для идеального крыльчатого ветроколеса максимально достижимая величина £, рассчитанная по классической теории Н.Е. Жу­ковского и теории Г.Х. Сабинина, равна соответственно 0,593 и 0,687. Современные ветродвигатели при работе в номинальном (расчетном) режиме преобразуют в механическую работу не более 45 — 48% кинетической энергии ветрового потока, что вызвано различными потерями и другими причинами. Кинетическая энергия, которой потен­циально обладает ветровой поток, зависит от скорости ветра v, температуры воздуха t и атмосферного давления р. Удельная мощность (секунд­ная энергия), которая заключена в потоке, имеющем поперечное сечение, равное 1 м2, при t = +15°С и p= 101,3 кПа округленно составляет:

Скорость ветра, м/с.......     4        6        8         10      14        18      22

Мощность потока, кВт/м2   ...     0,04   0,13   0,31    0,61    1,67     3,6    6,25

По отношению к этим условиям изменение температуры воздуха от + 15 до 0 °С повышает мощность потока примерно на 6%, а при t = +30 °С энергия, заключенная в потоке, наоборот, снижается на 5%. При постоян­ной температуре воздуха 0°С изменение атмосферного давления, напри­мер, от 103,7 до 97,3 кПа (от 770 до 730 мм рт. ст.) снижает энергию по­тока примерно на 6%.

  §1.3ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА И РАБОТЫ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ

Воздушный поток, как и любое движущееся тело, обладает энергией движения, или запасом кинетической энергии. Последняя с помощью ветроколеса или другого рабочего органа преобразуется в механическую энергию. В зависимости от назначения ветроустановки механическая энер­гия с помощью исполнительных механизмов (генератора, компрессора, электролизера и т.д.) может быть преобразована в электрическую, тепло­вую или механическую энергию, а также в энергию сжатого воздуха. Согласно (3.7) — (3.9) секундная кинетическая энергия Е воздушного потока с площадью поперечного сечения F, имеющего массу т, плот-яость р и скорость v, равна pFv3/2. Замечая, что F - ПR2, и сделав соот­ветствующие подстановки, получим, Н*м/с,          

Рис1.1. Карусельный ветродвигатель-шторка

Рис   1. 2.   Модель карусельного ветродвигателя с поворачивающимися лопастями

1 -     вертикальная ось; 2 - горизонтальные планки; 3 - поворачивающиеся лопасти; 4 -ось лопасти

Следовательно, секундная энергия, или мощность воздушного потока, пропорциональна его плотности, плошали поперечного сечения и кубу скорости.

Часть полной энергии потока, воспринятой ветроколесом, которую вет­родвигатель преобразует в механическую энергию, оценивается коэффи­циентом использования энергии ветра

 который зависит от типа ветродвигателя и режима его работы.

Секундная работа или мощность, Н-м/с, развиваемая ветроколесом, оп­ределяется по формуле

Р= pv3F

Так как плотность воздуха очень мала (в 800 раз меньше плотности воды), то для получения относительно больших мощностей приходится применять ветродвигатели со значительной поверхностью ветроколеса. Постоянные изменения скорости v приводят к тому, что мощность, раз­виваемая двигателем, изменяется в очень больших пределах: от нуля во время штиля до величины, в десятки раз превосходящей установленную мощность, на которую рассчитывают ветродвигатель при расчетной ско­рости ветра. Для преобразования кинетической энергии воздушного потока в меха­ническую энергию могут быть использованы ветродвигатели различных типов. Первыми (примерно в XVIII в. до н.э.) появились, по-видимому в Персии и Китае, двигатели с вертикальной осью вращения, как наиболее простые. Они получили название карусельных. Чтобы получить вращаю­щий момент на оси, лопасти, движущиеся навстречу ветру, должны быть прикрыты шторкой (рис. 4.3) или поворачиваться ребром к потоку (рис. 4.4). Для этого они укрепляются на оси с помощью шарниров и на активном участке пути (в зоне А) фиксируются в нужном положении специальными устройствами (упорами).

Рис. 1.3. Роторный ветродвигатель

Рис. 1.4.  Барабанный ветродвигатель

Разновидностью двигателей карусельного типа являются роторные двигатели, у которых рабочие поверхности выполнены не плоскими, а криволинейными (рис. 4.5). Поэтому давление на них при движении по направлению действия потока и против него разное, что и обусловлива­ет возникновение вращающего момента. Двигатели с плоскими рабочи­ми поверхностями, вращающимися относительно горизонтальной оси, получили название барабанных (рис. 4.6).

Все перечисленные типы двигателей работают в результате наличия разности сил лобового давления, образуемых относительно оси враще­ния. При этом нетрудно показать, что наибольшую мощность двигатель развивает в том случае, когда рабочая плоскость, воспринимающая давле­ние ветра, движется по направлению потока со скоростью, примерно рав­ной 1/3 его скорости. Большинство из указанных типов двигателей имеет весьма простую конструкцию, но тем не менее они не нашли широкого распространения из-за своей тихоходности, громоздкости, малого значе­ния коэффициента использования энергии ветра ij (в лучших условиях он не превышает 0,18), больших трудностей, возникающих при необходи­мости оборудования их системами автоматического регулирования разви­ваемой мощности и частоты вращения.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5