Энергосбережение и нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Освоение этих источников энергии  сегодня находится в следующей  стадии:

- разрабатывается и реализуется национальная программа;

- продолжается изучение доступного  технически и экономически выгодного  потенциала неисчерпаемых и возобновляемых  энергетических ресурсов (НИЭР) и  (ВЭР) в регионах;

- проводится обучение населения  и убеждение властных структур в возможности создания простых и доступных технических средств для превращения стихийной энергии НИВЭР в управляемую электрическую и тепловую энергию;

- создаётся производственная база  для изготовления и ввода в  эксплуатацию ветроэнергетических агрегатов, преобразователей солнечной энергии, геотермальных установок, биогазовых станций;

- проходит опытная  эксплуатация всех видов преобразователей энергии, совершенствуются их экономические и технические показатели;

- осуществляется международный обмен опытом и достижениями;

- идёт подготовка кадров разной  квалификации для разработки, производства, монтажа, наладки и эксплуатации  установок, работающих на нетрадиционных  и возобновляемых энергетических  ресурсах. 

 

3 Лекция №3. Ветер как энергоноситель, природа и основные свойства

 

Содержание лекции:

Происхождение и свойства ветра как энергоносителя, мощность ветрового потока.

Цель лекции:

- изучить основные характеристики  ветра как энергоносителя, механизм  формирования воздушных течений  в приземном слое и образования «месторождений ветровой  энергии». 

 

Горизонтальное движение воздуха, происходящее в результате скольжения Земли относительно своей атмосферы, а также под воздействием силы барического градиента, вызванной  различием в температурных режимах больших площадей суши и воды, и отклоняющей силы вращения Земли, а также силы трения воздушных масс о поверхность  Земли носит название «ветер».

В понятии ветра различаются  числовая величина скорости  ветра, выражаемая в м/с, км/ч, «узлах» и условных единицах (баллах), и направление, откуда дует ветер. Для обозначения направления указывают  «румб», либо угол, который образует горизонтальный вектор скорости с меридианом, причем север принимается за 360° или 0°, восток за 90°, юг – за 180°, запад за 270°.  Румб – это  направление относительно сторон света. В метеорологии принято разделять окружность горизонта на 16 румбов, 1 румб соответствует 22,5°. 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).

Скорость и направление ветра  всегда в большей или меньшей  степени  непрерывно колеблются, поэтому их обычно определяют, как осредненные величины за некоторый промежуток времени. Наличие сильных колебаний режима ветра, обусловленных турбулентностью, отмечается особо как порывистость или шквальность.

Порывистость ветра – наличие  в воздушном потоке значительных колебаний скорости и направления с временными интервалами в несколько десятков секунд.

Шквальность – резкое усиление и  ослабление ветра в течение короткого  времени, сопровождающегося также  изменениями его направления, продолжительностью несколько минут или десятков минут.

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 может превышать 50 м/с, а в отдельных случаях достигать 100 и более м/с. У поверхности Земли на небольших участках и на короткое время может устанавливаться полное безветрие – штиль.

Ветры над большими площадями земной поверхности  образуют обширные  воздушные течения, из которых слагается общая циркуляция атмосферы. Различие в удельной тепловой нагрузке поверхности Земли  на полюсах и экваторе из за ее шарообразной формы  определяет перемещение тепла и паров воды с экватора на полюса Это формирует  глобальную обменную  циркуляцию атмосферы  северного и южного полушарий. Циркуляции обеспечивает существование постоянной, устойчивой ветровой системы - северо-западной и соответственно юго-восточной  вследствие отклонения воздушных масс через ось вращения Земли.

Дальнейшее  развитие циркуляции происходит с образованием двух больших циркуляций – муссонов, пассатов и тропических циклонов.

Муссоны – устойчивые ветры в переменно  противоположных направлениях, меняющихся два раза в год. Зимние муссоны  чаще направлены с суши на океан, летние – с океана на сушу и сопровождаются обильными осадками.

Пассаты – устойчивые на протяжении года воздушные  течения в тропических широтах  над океанами. В Северном полушарии  направление пассатов преимущественно  северо-западное, в Южном – юго-восточное.. Над пассатами в противоположном  им направлении дуют антипассаты.

Циклоны – области пониженного давления размерами  в несколько тысяч км, образуются системой ветров, дующих против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке – в Южном, скорость ветра в циклоне достигает 100 м/с и выше. Существуют также антициклоны – области повышенного давления, размерами также в несколько тысяч км, образующиеся системой ветров, дующих по часовой стрелке в Северном полушарии и против – в Южном, характеризующиеся слабыми ветрами.

В связи  с наличием общей циркуляции атмосферы и местных циркуляций, ветер все время меняет величину и направление в любой точке пространства. Кроме того, ветер у земной поверхности подвержен суточному ходу вследствие изменения условий турбулентности в течение суток. С высотой над поверхностью скорость ветра увеличивается  отчасти из-за убывания тормозящего действия силы трения о поверхность, а также в результате наличия горизонтальных градиентов температуры.

Локальные, местные воздействия на воздушные  массы возникают в системах суша – внутренние водоемы и носят название «море – береговых бризов», «горно-долинных ветров».

Горно-долинные ветры с 12 часовой цикличностью определяются градиентом температур между долиной  и горным массивом и достигают  скорости 6 – 8 м/с.

Бризы – ветры с суточной цикличностью по  берегам морей и крупных водоемов. Дневной бриз дует с воды на нагретое побережье, ночной - с охлажденного побережья на водоем. Бризы обычно распространяются на несколько десятков километров по обе стороны от береговой линии и на высоту несколько сотен метров, скорость их достигает 10 - 12 м/с.

Яркими  примерами локальных природных  воздействий на воздушные потоки являются естественные «аэродинамические  трубы», образованные макрорельефом  Земли – горными хребтами в сочетании с озерами и степными пространствами - Джунгарские ворота и Шелекский (Чу-Илийский) коридор в Казахстане, Боамское ущелье и Иссыкульская котловина в Киргизии, Баргузинский проход на  Байкале и другие.

Наиболее  мощное концентрирующее воздействие  на движение воздушных масс проявляется в Джунгарских воротах (Алматинская область).

Джунгарские ворота расположенные на высоте 190 – 380 м, над уровнем моря, образуются системой горных массивов в Китае, которые  сходятся под углом порядка 20 – 25 ° в районе станции Достык в Казахстане. На стороне Казахстана Джунгарские ворота находятся между отрогами гор, расходящимися под углом 35 – 40 ° в сторону долины с озерами Жаланашколь, Алаколь и далее Балхаш.

Таким образом, горные системы высотой  около 4000 м образуют своеобразное сопло  с конфузорной и диффузорной частями и узкой горловиной. Ширина узкой части Джунгарских ворот составляет 10 – 16 км, длина наиболее энергонасыщенной части  - 60 – 70 км. Сильные ветры достигают г. Рыбачье на расстоянии 160 – 165 км. Площадь Казахстанской части Джунгарских ворот составляет порядка 1000 км². Воздушные потоки, движущиеся со стороны Китая образуют ветер «Евгей», скорость которого в осенне – зимний – весенний периоды достигает 45 – 70 м/с. Обратный ветер «Сайкан» формируется в степных районах прибалхашья, проходит через Джунгарские ворота со скоростью, достигающей 18 – 30 м/с. Джунгарские ворота являются естественным концентратором воздушных течений, когда скорость ветра в узкой части ворот превышает в 2,5 – 3,5 раза скорость ветра в долинной части.

Области и районы с высокой ветровой активностью являются месторождениями живой энергии огромных масштабов, эквивалентных месторождениям угля, нефти или газа.

Скорости  и направления ветра в нижних слоях атмосферы сильно изменчивы во времени и по высоте и зависят от множества факторов: состояния подстилающей поверхности, ее термической устойчивости,  наличия крупных препятствий, общей циркуляции атмосферы. Слой воздушных течений, осваиваемых  ветроэнергетическими агрегатами, имеет высоту от 5 – до 150 – 200 м и характеризуется высокой турбулентностью, наличием градиента скорости по высоте.

Наиболее  резкий рост скорости с высотой наблюдается  в самой нижней части пограничного слоя атмосферы во все сезоны года. В нижнем стометровом слое градиент скорости по высоте составляет в апреле – июле - 3,3 – 3,4 м/с, в зимние месяцы 7,3 – 8 м/с на 100м.

Естественно, что непосредственно на поверхности  Земли скорость потока равна нулю. Наименьшее торможение воздушным потокам  оказывает гладкая водная поверхность.

Отдельные препятствия воздушному потоку вносят свои собственные возмущения  в пограничный слой.

Группа  деревьев, или ряд деревьев, например,  ветрозащитные  лесные полосы создают циркуляции с наветренной и подветренной стороной, распространяющиеся на расстоянии от 5 до 10 – 15 высот лесных насаждений.

Эффективность преобразования кинетической энергии  ветра в электрическую энергию  определяется рядом его специфически особенностей как энергоносителя, а  также свойствами преобразователей энергии – ветровых турбин и электрических генераторов.

Мощность  воздушного потока представляется как  энергия, поступающая через его  сечение площадью 1м², расположенное перпендикулярно его направлению. Величина развиваемой мощности зависит от плотности воздуха , скорости его движения и определяется выражением

, Вт/м²

где - плотность воздуха 1,29 кг/м³ при 0 ⁰C на уровне моря;

- скорость ветра, м/с².                               

Диапазон  изменения скорости ветра  - от 0 (затишье) до 50 - 70 м/с (шторм, ураган)  определяет широкие возможности использования его энергии. 

Ветер – особый энергоноситель: при изменении его скорости, например, на 20% от 5  до 6 м\с мощность изменяется  на 72,8%, при увеличении  скорости в 5 раз, от 6 до 30 м\с  его удельная мощность увеличивается  в 125 раз. Аналогично, но только в обратном направлении изменяется мощность ветра при уменьшении  его скорости. 

В связи с тем, что скорость ветра  непрерывно меняется по величине используется понятие «среднесрочная» скорость, куда входит среднее значение за определенный интервал времени. Так, при среднечасовой скорости ветра 30 м/с изменение её за 2 соседних часа было в пределах  от 9,8 до 32,4 м/с. 

 В параметры скорости ветра  входит ряд показателей – порывистость, шквальность и  максимальная скорость в порыве

Порывистость ветра – наличие  в воздушном потоке значительных колебаний по скорости и направлению с временными интервалами в несколько десятков секунд. Амплитуда порыва  достигает  значения, в 2 раза превышающего среднюю скорость. Время возрастания скорости в порыве оказывается примерно равным времени ее снижения, а максимальная величина изменения скорости более чем в 2 раза превышает ее амплитуду. За время, порыва энергия ветрового потока может изменяться в восемь и более раз.

Шквальность – резкое усиление и  ослабление ветра в течение короткого  времени, продолжительностью до нескольких десятков минут, сопровождающееся также изменениями его направления.

При порывах и сильных шквалах  максимальная скорость ветра у поверхности  земли может превышать 50 м/с, а  в отдельных случаях достигать 100 и более м/с. Это необходимо учитывать при разработке и изготовлении ветродвигателя, редуктора и электрического генератора. Для  получения максимальной  мощности  ветроколеса при изменении скорости ветра в размерности м/с² необходимо изменять  соответственно угол установки его лопастей.

Направление ветра является самым  сложным параметром воздушных течений  при реализации его энергии для  выработки электроэнергии. Дело в  том, что полноценное восприятие энергии ветра ветродвигателем  достигается лишь тогда, когда плоскость  ветровоспринимающей поверхности традиционного пропеллерного ветроколеса строго перпендикулярна направлению ветра.

Направление ветра измеряется флюгерами  разных типов и изображается в  виде «розы ветров», суммирующей  результаты всех наблюдений по срокам наблюдения с усреднениями.

В Метеорологическом бюллетене  направление ветра характеризуется  в таких категориях, как «ветер западных направлений, ветер северных направлений, ветер юго – восточный, ветер юго – восточный с  переходом на западный» и тому подобное, при этом фиксируется в % повторяемость направления по 8 румбам во времени. Годовая роза ветров приведена на рисунке 1.