Альтернативные источники энергии. Выполнили: Долгоульский А. Сайдаматов Э. Проверила: Аманбаева Г.М. ВВЕДЕНИЕ. На пороге XXI века человек все чаще стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Люди прошли путь от первого костра до атомных электростанций. Существуют «традиционные» виды альтернативной энергии: энергия Солнца и ветра, морских волн и горячих источников, приливов и отливов.На основе этих природных ресурсов были созданы электростанции: ветряные, приливные, геотермальные, солнечные.
Ветряные электростанции. Принцип действия ветряных электростанций прост: ветер крутит лопасти ветряка, приводя в движение вал электрогенератора. Генератор в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают, как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен.Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается в электрический ток. Приливные электростанции.
Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Первая такая электростанция (Паужетская) мощностью 5 МВт была построена на Камчатке. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн — перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины, которые вращают генератор. Во время прилива вода поступает в бассейн.Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются.
С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Геотермальные электростанции. Электростанции такого типа преобразуют внутреннее тепло Земли (энергию горячих пароводяных источников) в электричество.Первая геотермальная электростанция была построена на Камчатке.
Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции. Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающих разрушение труб. Смешанная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшийся в результате конденсации, удаляют не растворившиеся в ней газы. Солнечные электростанции.В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: солнечные электростанции башенного типа и солнечные электростанции распределенного (модульного) типа. В башенных солнечных электростанциях используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч.
Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550ºС, воздух и другие газы — до 1000ºС, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) — до 100ºС, жидкометаллические теплоносители — до 800ºС. Тепловые электростанции.
Тепловые электростанции работают по такому принципу: топливо сжигается в топке парового котла.Выделяющееся при горении тепло испаряет воду, циркулирующую внутри расположенных в котле труб, и перегревает образовавшийся пар. Пар, расширяясь, вращает турбину, а та, в свою очередь, — вал электрического генератора.
Затем отработавший пар конденсируется; вода из конденсатора через систему подогревателей возвращается в котел. Гидроэлектростанции. Гидрозлектростанции преобразуют энергию потока воды в электроэнергию посредством гидравлических турбин, приводящих во вращение электрические генераторы. Наибольший КПД гидроэлектростанция имеет тогда, когда поток воды падает на турбину сверху.Для этих целей строится плотина, поднимающая уровень воды в реке и сосредотачивающая напор воды в месте расположения турбин.
Атомные электростанции. Такие электростанции действуют по такому же принципу, что и «ТЭС, но используют для парообразования энергию, получающуюся при радиоактивной распаде. В качестве топлива используется обогащенная руда урана. Ядерный реактор работает на основе цепной ядерной реакции, когда деление одного ядра вызывает деление других ядер; таким образом, реакция сама себя поддерживает.Термоядерные электростанции.
В настоящее время ученые работают над созданием Термоядерных электростанций, преимуществом которых является обеспечение человечества электроэнергией на неограниченное время. Термоядерная электростанция работает на основе термоядерного синтеза — реакции синтеза тяжелых изотопов водорода с образованием гелия и выделением энергии.Реакция термоядерного синтеза не дает газообразных и жидких радиоактивных отходов, не нарабатывает плутоний, который используется для производства ядерного оружия.
Если еще учесть, что горючим для термоядерных станций будет тяжелый изотоп водорода дейтерий, который получают из простой воды — в полулитре воды заключена энергия синтеза, эквивалентная той, что получится при сжигании бочки бензина, — то преимущества электростанций, основанных на термоядерной реакции, становятся очевидными.ГЛАВА 1 Ветроэнергетика §1.1.История развития Развитие любой страны в значительной мере связано с обеспеченностью ресурсами, в том числе энергетическими.
Установлено, что темпы прироста национального дохода примерно соотвецтвуют темпам роста потребление энергии. Человек всегда стремился использовать силы природы, развитие производственных процессов потребовало перехода от применения мускульной силы к использованию новых источников энергии. Прежде всего человек обратился к силе воды и ветра, которые использовались в промышленном производстве, но главным образом в сельском хозяйстве.Впервые энергия ветра была использована, по- видимому, для передвижения парусных судов, а позднее-также для подъема воды и размола зерна.
Первые ветряные двигатели, по предположению – с вертикальной осью вращения, были построены более 2 тыс. лет назад. Вавилоняне еще до нашей эры использовали их для осушения болот, в Египте, на Ближнем Востоке, в Персии строили ветряные водоподъемники и мельницы.До настоящего времени в некоторых странах бассейна Средиземного моря можно встретить ветряные мельницы с крыльями, имеющими поперечные паруса.
В Европе, вначале во Франции, ветряные мельницы появились в ХХII в. Ф.Энгельс писал, что « ветряная мельница была изобретена около 1000 г.». В Англии работали мельницы, однотипные по принципу действия с французскими. В Германии первая мельница была построена в 1393 г. Из Германии они распространились в другие страны.В ХIV столетии голландцы широко использовали ветряные мельницы для осушения болот и озер. В начале ХVII в. большая часть территории осушалась с помощью ветроустановок мощностью до 30 – 35 кВт. В этот же период появились усовершенствованные конструкции мельниц и новые ветряные двигатели, которые использовали для привода машин бумагоделательных фабрик, лесопилок и других устройств.
В 30-х годах ХVIII в. в Голландии работали 1200 ветроустановок, которые предохраняли 2/3 страны от обратного превращения в болота.Первое изложение теории ветродвигателя относят к началу ХVIII в. В более систематизированном виде она появилась в конце ХIХ в. в Америке и Европе.
Конструкции первых ветряных мельниц в России были, по-видимому, заимствованы в Германии, и их называли немецкими. К началу ХVIII в. число мельниц стало значительным, и их применение приобрело государственное значение. Многое для их распространения в России сделал Петр 1. В ХVIII – ХIХ вв. мельницы сооружались практически повсеместно, и к началу первой мировой войны в России эксплуатировалось более 200 тыс. мельниц, которые ежегодно перемалывали 2/3 всего товарного зерна.К середине прошлого столетия в США эксплуатировалось почти 6 млн. маломощных ветродвигателей для подъема воды, выработки электроэнергии и выполнения других простых работ.
Более 150 тыс. установок насчитывается в США и сегодня. В России наряду с кустарными мельницами в начале прошлого столетия началось изготовление в заводских условиях ( в мастерских) тихоходных многолопастных деревометаллических ветродвигателей системы инж. В.П. Давыдова, которые применяли главным образом для механизации подъема воды. Некоторое число ветродвигателей завезли из Германии, Франции и США, где их производство было налажено несколько раньше. В основном выпускалось многолопастные двигатели, но они уже были снабжены системами автоматического регулирования скорости вращения и мощности, механизмами ориентации ветроколеса по направлению потока.
Суммарный годовой выпуск в основных промышленно развитых странах составлял сотни тысяч двигателей.Позднее, в начале нашего столетия, ряд стран ( США, Франция, Германия, Австралия, Великобритания и .др.) начал в значительных количествах выпускать на заводах также и более совершенные по конструкции и экономичные быстроходные ветроагрегаты, предназначенные в первую очередь для получения электрической энергии.
Их использовали для освещения небольших и удаленных объектов и зарядки аккумулярных батарей.В нашей стране широкое развитие научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области ветроэнергетики началось буквально с первых дней Советской власти. Уже в 1918 г. В.И.Ленин считал необходимым поручить Академии наук включить в план реорганизации промышленности и экономического полъема России наряду с другими проблемами водные силы и ветряные двигатели вообще и в применении к земледелию.
Через 3 года он снова возвращается к этому вопросу и в письме к А.П. Серебровскому подчеркивает важность использования ветродвигателей в Азербайджане.В.И. Ленин указывал на необходимость использования непервоклассных сортов топлива для получения электрической энергии с наименьшими затратами на добычу и перевозку горючего.
Именно поэтому он придавал большое значение таким энергетическим источникам , как ветер. Первый этап развития ветроэнергетики в нашей стране ( до середины 30-х годов) характеризуется в основном теоретическими исследованиями.Н.Е. Жуковским и его учениками Г.Х. Сабининым, В.П. Ветчинкиным и др. была разработана теория идеального и реального ветродвигателей, которойпользуются во всем мире. В тот же период созданы аэродинамические профили высокого качества для лопастей ветроколес, спроектированы опытные установки и проведены продувки моделей в трубах, изучены характеристики ветродвигателей.
Проводились испытания различных конструкций ветроагрегатов и установок, совершенствовались методы их расчета и проектирования. Параллельно велись работы по созданию новых моделей и типовветродвигателей.Уже в 1924 году под руководством Н.В. Красовского в отделе ветродвигателей (ОВД) ЦАГИ был разработан быстроходный двигатель мощностью до 50 л.с. с новой системой регулирования частоты вращения колеса, предложенной Г.Х. Сабининым.
Она получила название стабилизаторной. С целью расширения работ по созданию ветродвигателей и использованию энергии ветра в 1930 г на базе ОВД ЦАГИ был организован Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ), единственный в мире в то время научно исследовательская оргонизация такого профиля.В те годы удалось быстро разработать конструкции тихоходных ветродвигателей ВД-5 и ВД-8 для серийного производства.
После модернизации эти двигатели, предназначенные для подъема воды, а также для работы с некоторыми сельскохозяйственными машинами (мельницами, дробилками кормов, силосорезками и др.), начали выпускать в больших количествах под марками ТВ-5 и ТВ-8. Была также создана конструкция и освоено производство быстроходного ветродвигателя Д-12 со стабилизаторной системой регулирования, который использовался в сельском хозяйстве, в Арктике, на зимовках, на метеостанциях и для энергоснабжения других объектов.
В связи с началом электрофикации сельского хозяйства были организованы работы по созданию ветроэлектрических станций (ВЭС). В 1930 году была спроектирована, а в 1931 году сооружена в Крыму самая крупная в мире ВЭС Д-30 мощностью 100 кВт. Станция работала до 1942 года и давала электроэнергию в сеть Севастопольэнерго напряжением 6300 В. Среднегодовая выработка энергии ВЭС превышала 270 МВт.ч. Во время Великой отечественной войны она была разрушена. К этому же периоду относится создание в нашей стране проектов самых крупных в мире ВЭС мощностью 1000 и 5000 кВт, которые не смогли быть реализованы из-за войны.
С 1936 г. основные проектные и следовательские работы по использованию энергии ветра, в первую очередь для нуждсела, были переданы Всесоюзному НИИ механизации сельского хозяиства (ВИМ). В 1938 г. в составе Всесоюзного научно- исследовательского института сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ) было организовано конструкторское бюро по серийным ветродвигателям.
Ряду предприятий поручили выпуск установок. За 4 предвоенных года только в колхозах и совхозах было построено более 8000 ветросиловых установок, с помощью которых механизировали трудоемкие процессы на фермах, в первую очередь водоснабжение животных.В этот период и в первые послевоенные годы был принят ряд партийных и правительственных постановлений о развитии ветроиспользования. ХVIII съезд партии в резолюции по 3-му пятилетнему плану (1938-1942 гг.) указал на необъходимость в целях экономии топлива широко развить строительство небольших ветроэлектростанций, организовать массовое производство ветродвигателей и широко развернуть сооружение колхозных ветросиловых установок.
В годы Великой Отечественной войны, когда не хватало топлива, в деревне широко развернулось строительство ветряных мельниц.Сразу после окончания войны было организовано промышленное производство модернизированных ветродвигателей типов ТВ-5, ТВ-8, УНДИМ-Д-10, электрических зарядных ветроагрегатов небольшой мощности и других установок, созданы и выпущены опытными партиями ветроэлектрические станции Д-18 и 1Д-18 ЦАГИ мощностью 30кВт. В законе о 4-м пятилетнем плане развития народного хозяйства страны записано: « Обеспечить массовое строительство ветростанций». В годы, предшествовавшие второй мировой воине, и вплоть до середины 50-х годов во многих странах нарядус расширением масштабов производства и применения ветродвигателей небольшой и средней мощности большое внимание начали уделять созданию и строительству крупных ВЭС. Так, в начале 1941г. в США была построена станция 1,25 МВт с двухлопастным ветроколесом.
Несколько лет она успешно работала, вырабатывая энергию, которая поступала в местную электрическую сеть. В марте 1945 г. ее эксплуатация была прекращена вследствии повреждения одной из лопастей, вызванного вибрацией.
После войны датчане создали три типа ВЭС мощностью 12,45 и 200 кВт для работы на электрическую сеть. Великобритания построила для испытаний несколько демонстрационных 100 киловатных ветроэлектростанций, в том числе одну установку принципиально нового типа системы Андро с пневматической передачей мощности от ветроколеса генератору,установленному вместе с воздушной турбиной в нижней части машины.
Под руководством проф. У.Хюттера в Германии был осуществлен ряд усовершенствований ВЭС. Самая крупная из них имела расчетную мощность 100 кВт. Наиболее совершенными из них были установки фирмы Allgaier . Французские ученые и конструкторы создали несколько ветроэлектрических станций мощностью от 130 до 800 кВт с синхронным и асинхронными генераторами.
Они работали на электрические сети совместно с другими, в основном тепловыми, электростанциями. В этот же период велись работы в области ветроэнергетики в Швеции,Австралии, Канаде, Нидерландах, Аргентине, Мексике и в ряде других стран.В нашей стране 50-е годы явились новым этапомдальнейшего расширения работ в области использования энергии ветра.
В августе 1954 г. Совет Министров СССР принимает развернутое постановление о дальнейшем развитии ветроэнергетики и расширение масштабов использования ресурсов ветра, которым были определены задания по организации исследований, разработке новых конструкций ветроагрегатов, их производству и внедрению в народное хозяйство, улучшению эксплуатации.Была создана Центральная научно-исследовательская лаборатория по ветродвигателям (ЦНИЛВ), группы или лаборатории ветроэнергетики в ряде республиканских научно-исследовательских и проектных институтов.
Основное внимание в этот период уделялось использование энергии ветра в сельскохозяиственном производсте. Уже в середине 50-х годов резко возрос выпуск ветроэнергетического оборудования различных типов только в 1956 г. было произведено 9 тыс. ветродвигателей.Одновременно во Всесоюзном НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) расширились исследования в области эксплуатации ветроустановок, их агрегатирования с рабочими машинами и генераторами по вопросам аэродинамики расширились работы в ЦАГИ. Разработками ветроэнергетического кадастра, вопросов аккумулирования энергии, новых методов расчета конструкции и оптимизации сфер применеия, исследованиями в области повышения надежности и эффективности эксплуатации был занят ряд центральных и республиканских институтов и организаций.
Были изобретены новые системы регулирования ветродвигателей, разработаны эффективные методы использования ВЭС, конструкции ветроагрегатов различного назначения, в том числе для пастбищного водоснабжения «Беркут» с электронасосом повышенной частоты, УВЭУ-(1-4)-6 (ныне АВЭУ-6), снабженный погружным электронасосом с двигателем промышленной частоты, ВБ-3Т с насосом вибрационного типа и ряд других.
В Казахстане была сооружена многоагрегатная ВЭС мощностью 400кВт, построены и испытаны образцы агрегатов и станций мощностью от 0,2 до 30 кВт.В 1971 году на ряде заводов был организован выпуск опытных партий агрегатов четырёх типов и проведена их эксплуатационная проверка на пасдбищах Чёрных земель Кизлярских степей ив других зонах.
Продолжались работы над созданием ветрооогрегата Вихрь с пневмотическим насосом, электрических агрегатов Сокол и УВЕУ-(8-16)-12 мощностью 15 кВт а так же разрабатывались проекты более мощных экспериментальных ВЭС до 100кВт предназначенных для комплексного использование.По неполным данным ЮНЕСКО, в 1960г. в мире насчитывается более 1 млн ВЭС различных типов и назначение, в том числе более полумиллиона быстроходных ветроэлектрических агрегатов.
Большинство ветродвигателей использовалось в системах сельскохозяйственного водоснабжения, для зарядки аккумуляторных батарей и пмиания энергией небольших объектов, на линиях радиорелейной связи и для других целей в районах с благоприятным ветровым режимом, удаленных от источников централизованного энергоснабжения, В 1968 г. только в Австралии эксплуатировалось почти 250 тыс. ветроустановок.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 нагре¬ва земной поверхности Солнцем.
Поскольку поверхность Земли неодно¬родна, 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 сравни¬тельно холодным, поскольку значительная часть энергии солнечного излу¬чения расходуется на испарение воды или поглощается ею. Над сушей воздух прогревается больше, расширяется, снижает свою массовую плот¬ность и устремляется в более высокие слои над землей.
Его замещают бо¬лее холодные, а следовательно, более плотные воздушные массы, распо¬лагавшиеся над водными пространствами, что и приводит к возникнове¬нию ветра как направленному перемещению больших масс воздуха.
Эти местные ветры, образующиеся в прибрежных зонах, носят название бри¬зов. Годовые изменения температуры в береговых районах больших мо¬рей и океанов вызывают циркуляцию более крупного масштаба, чем бри¬зы, называемые муссонами.
Они делятся на морские и материковые, от¬личаются, 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 полю¬сов Земли и многих других факторов.
Характер циркуляции земной ат¬мосферы усложняется вследствие сил инерции, возникающих при враще¬нии Земли. Они вызывают различные отклонения воздушных течений, об¬разуется множество циркуляции, в большей или меньшей мере взаимо¬действующих 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 возни¬кают 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 воз¬душные 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 направле¬ния движения часовой стрелки, а в южном — по направлению ее движе¬ния. Вследствие наклона 23,5° оси движения Земли к плоскости ее враще¬ния относительно Солнца происходят сезонные изменения тепловой энер¬гии, получаемой от него, величина которых зависит от силы и направле¬ния 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 протяжен¬ность - др 1000 км. Обычно они не подвержены большим сезонным изменениям, но могут менять свое расположение по высоте.
Так, над Восточной Сибирью и Чу¬коткой они иногда опускаются до высоты 3-4 км от поверхности Земли. Ско¬рости 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 ориенти¬ровочным оценкам, энергия которая непрерывно поступает от Солнца, соответствует суммарной мощности, превышающей 1011 ГВт. Это опре¬деляет возможную годовую выработку энергии ветроагрегатами, равную 1,18 • 1013 кВт -ч, что во много раз превышает количество энергии, потреб¬ляемой сегодня в мире. По оценкам МИРЭК, ежегодно в мире потребляет¬ся около 3 млрд. т условного топлива.
В развитых странах потребление достигло 0,6 т условного топлива в год на одного человека, в развиваю¬щихся - 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 соответ¬ствующих технических средств, могут оказаться практически ценными также струйные течения, характерные для тропопаузы.
Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую цен¬ность ветра, является его. скорость. В силу ряда метеорологических факто¬ров (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности, коли¬чества 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 слу¬чайному 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, осо¬бенно за длительный промежуток времени, можно рассчитать с высоким уровнем достоверности, так как средняя скорость ветра и частота распре¬деления 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 граду¬сах или румбах и показывает его угловое положение относительно направ¬ления (обычно северного), принятого за начало отсчета.
Для измерения мгновенной скорости ветра, т.е. пути воздушного пото¬ка, пройденного им за промежуток времени, измеряемый секундами или даже долями секунд, пользуются анемометрами различных конструкций.
Чем меньше интервал времени усреднения скорости, тем менее инерцион¬ным должно быть ветроприемное устройство анемометра. Поэтому для подобных измерений используют специальный класс приборов - мало¬инерционные.Усредненную за более длительные промежутки (несколько десятков се¬кунд или минут) скорость потока измеряют анемометрами и интегрирую¬щими устройствами разнообразных типов, которые имеют также приборы для получения визуальных отсчетов и регистрирующую часть, обеспечи¬вающую запись скоростей на ленту.
Погрешность измерения скорости анемометром может доходить до 5 —7%, поэтому в тех случаях, когда тре¬буется большая точность, например при испытаниях в аэродинамической трубе ветродвигателей и их моделей, используют трубку Пито, соединен¬ную с микроманометром.На некоторых метеостанциях наряду с анемо¬метром 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 воздейст¬вие воздушного потока на ветродвигатель. Динамические характеристи¬ки потока, его порывы влияют на работу автоматических систем регули¬рования 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 мгновен¬ной скорости Vj к числу измерений n: Среднесуточную скорость vсут находят делением на 24 суммы среднеча¬совых 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 побли¬зости 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 ско¬ростей (например, на Московской и других телебашнях, при некоторых аэропортах, в зонах с аномальным ветровым режимом и т.д.) или прово¬дят ежечасные наблюдения.
Класс открытости метеостанции, степень защищенности (затененности препятствиями) анемометра учитывают при измерениях скорости ветра различных направлений (по румбам). Для классификации станций поль¬зуются специальной методикой, предложенной В.Ю. Милевским, которая изложена в литературе по метеорологии.Методика обеспечивает возмож¬ность лучшей сопоставимости наблюдений, их репрезентативности для обслуживаемой зоны. На метеостанциях получают и накапливают доста¬точно точные для практики сведения о среднепериодных скоростях, ко¬торые в сравнении с данными, вычисленными по среднечасовым скорос¬тям, дают относительно небольшую погрешность.
Надо иметь в виду, что на показания анемометров влияют их расположение, макро- и микро¬рельеф местности, класс открытости метеостанции.Это следует учиты¬вать 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 ме¬сяцы и сезоны. Поэтому рассматривают суточный, месячный и сезонный ход скоростей, определяющий общую тенденцию их изменения в ука¬занные 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 яв¬ляются важными режимными характеристиками ветра, используемыми в расчетах на прочность и долговечность агрегатов, при проектировании механизмов привода, систем регулирования и ориентации, схем совмест¬ного использования с другими установками и др. Важной характеристикой является вертикальный профиль ветра, т.е. изменения его скорости по высоте в приземном слое. Влияние зем¬ной поверхности на скорость и направление ветра уменьшается по мере увеличения высоты.
Поэтому скорость обычно возрастает, а порывис¬тость 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) аппроксими¬руется зависимостями вида Важнейшее значение для надежности и долговечности ветроэнергети¬ческой 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, поль¬зуются 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 режи¬мов ветра; е — основание натурального логарифма.
Для оценки относительной скорости ветра в метеорологической прак¬тике используют коэффициент, %, где - — измеренная в определенный час скорость; v - средняя скорость за выбранный промежуток времени; vmax> vmin — экстремальные значе¬ния 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 сече¬ние, 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. Жу¬ковского 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 потен¬циально обладает ветровой поток, зависит от скорости ветра v, температуры воздуха t и атмосферного давления р. Удельная мощность (секунд¬ная 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 постоян¬ной температуре воздуха 0°С изменение атмосферного давления, напри¬мер, от 103,7 до 97,3 кПа (от 770 до 730 мм рт. ст.) снижает энергию по¬тока 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 энер¬гия с помощью исполнительных механизмов (генератора, компрессора, электролизера и т.д.) может быть преобразована в электрическую, тепло¬вую 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 соот¬ветствующие 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 вет¬родвигатель преобразует в механическую энергию, оценивается коэффи¬циентом использования энергии ветра который зависит от типа ветродвигателя и режима его работы.
Секундная работа или мощность, Н-м/с, развиваемая ветроколесом, оп¬ределяется 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, раз¬виваемая 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 ско¬рости ветра. Для преобразования кинетической энергии воздушного потока в меха¬ническую 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 вращаю¬щий 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).