Запрошуємо розробників корисного устаткування до співпраці

Загальні відомості

Енергія вітру є вічно поновлювальною й невичерпною, поки гріє Сонце. Вітер утворюється на Землі в результаті нерівномірного нагрівання її поверхні Сонцем. Розрізняють види вітрів: пасати, мусони, бризи.

Пасати утворюються в результаті нагрівання екваторіальної частини Землі. Нагріте повітря піднімається вверх, захоплюючи за собою повітряні маси з півночі і півдня. Обертання Землі відхиляє потоки повітря, в результаті чого утворюються рухомі цілорічні потоки повітря з постійною силою - північно-східний пасат у Північній півкулі і південно-східний пасат у Південній півкулі.

Пасати дують у приекваторній зоні, що знаходиться між 25° і 30° північної і південної широти відповідно. По-англійському пасати називаються trade winds, що буквально означає “торгівельні вітри” (тобто вітри, які допомагають торгівлі). Ця назва виникла в часи, коли міжнародна торгівля відбувалася в основному за допомогою парусних суден.

Мусони - це вітри, які дують в Індійському океані та пов’язані з сезонними змінами температури материка і океану. Літом сонячні промені сильніше нагрівають сушу і вітер дує з моря на сушу, зимою мусон дує з суші на море. Обертання Землі викликає відхилення мусонів вправо, в результаті чого влітку дують південно-західні мусони, а взимку - північно-східні.

Утворення місцевих вітрів на границі морів і великих островів, які отримали назву бризів, пояснюється так. Повітря над водною поверхнею впродовж світлої частини доби залишається порівняно холодним, оскільки енергія сонячного випромінювання витрачається на випаровування води та поглинається нею. Над сушею повітря нагрівається завдяки тому, що вона поглинає сонячну енергію менше, ніж поверхня води. Нагріте повітря розширюється і піднімається вгору, а його заміняє холодне повітря від поверхні води. Вночі суша охолоджується швидше, ніж вода, і температура над водою буде вища, ніж над сушею. Тому вітри міняють свій напрямок, і холодне повітря суші витісняє нагріте повітря водної поверхні.

Аналогічно місцеві вітри утворюються в гірській місцевості, де протягом дня тепле повітря піднімається вздовж схилів, а вночі холодне повітря спускається в долини.

В деяких країнах існують свої місцеві вітри. Так, на півдні Франції в березні-квітні холодний північний вітер - містраль - часто дує декілька днів підряд. У Північній Америці, на східних схилах Скалистих гір, дує теплий сухий вітер чинук. Він викликає значне підвищення температури і часто супроводжується швидким таненням снігів. Слово “чинук” мовою одного з місцевих племен означає “поглинач снігу”.

Сила вітру - це одне з найдавніших використовуваних людством джерел енергії, яке, безперечно, є одним із найбільш економічних. Мореплавці використовували силу вітру для морських подорожей під вітрилами ще за 3500 років до нової ери. Прості вітряки були значно поширені в Китаї 2200 років тому. На Середньому Сході, в Персії близько у 200 р. до н. е. почали використовуватися вітряки з вертикальною віссю для перемелювання зерна. Перші персидські вітряки виготовлялися з в'язанок очерету, які прикріплялися до дерев'яної рами, що оберталася, коли дув вітер; стіна навколо вітряка спрямовувала потік вітру проти лопатей.

В XI ст. в Європі почали поширюватися вітряки, що завозилися мандрівними купцями та лицарями з хрестових походів. Ці перші млини постійно вдосконалювалися, спочатку голландцями, потім англійцями, і врешті набули конструкції з горизонтальною віссю. Жителі Голландії виявили, що вітром дуже зручно користуватися для відкачування води, щоб осушити землю, що для цієї країни, яка розташована в низинах і тому потерпає від повеней, є дуже актуальним. Найбільш активно в допромисловій Європі вітряки використовувалися у XVIII ст., коли лише в одній Голландії їх було понад сто тисяч. З їхньою допомогою мололи зерно, качали воду й пиляли дрова. Згодом більшість вітряків, нездатних конкурувати з дешевим і надійним викопним паливом, було замінено паровими двигунами. Однак і сьогодні вітряки використовуються досить широко.

В історії Сполучених Штатів вітряки відіграли дуже важливу роль в освоєнні Заходу Америки наприкінці XIX ст. Вони були життєво необхідні першим поселенцям Великих рівнин. Вітряки поставляли воду на залізницю та пасовища, в місця, віддалені від рік і джерел води. Пізніше вітряки стали використовувати у віддалених від населених пунктів господарствах для вироблення електричної енергії. За останні 100 років американці створили понад 8 млн вітрових установок для водопідняття, призначених у більшості випадків для пасовищ і худоби.

У старих вітряків лопаті були дерев'яними і могли використовувати близько 7 % енергії вітру. Завдяки новаторській праці Т. Перрі, який наприкінці XIX ст. провів близько 5000 експериментів із різними видами „колеса” (тобто ротора), дерев'яні лопаті поступилися місцем лопатям з вигнутого металу, що збільшило ефективність установок вдвічі - до 15 %.

Використовували енергію вітру з давніх часів і в Україні. В 1917 р. тут було близько ЗО тис. вітряків, потужність яких становила близько 200 тис. кВт. З початком колективізації кількість вітряків значно зменшилася, а прагнення до гігантизму в радянські часи практично витіснило їх із використання. Лише, починаючи з 1990-х років, ситуація з вітроенергетикою в Україні змінилася на користь її розвитку.

Метеорологія користується шкалою швидкості вітру - її називають шкалою Бофорта. Перший варіант шкали характеризує швидкості вітру в балах від 0 (штиль) до 12 (ураган). Пізніше для оцінки швидкості дуже сильних вітрів добавили показники від 13 до 17 балів. Показники шкали швидкості вітрів наведено в таблиці 4.3.1.

Таблиця 4.3.1 - Шкала Бофорта швидкості вітру

Бали

шка­

ли

Швидкі

сть

вітру,

м/с

Потенційна

питома

потужність,

Вт/м

Характерист ика сили вітру

Характерні особливості вітру

0

0-0,4

0-0,04

штиль

дим підіймається вертикально вгору

1

0,4-1,8

0,04-3,8

тихий

на воді з’являються брижі, флюгер не рухається

2

1,8-3,6

3,8-30,3

легкий

шелестить листя, на воді виразне хвилювання

3

3,6-5,8

30,3-126,8

слабкий

коливається листя на деревах, розвиваються легкі прапори

4

5,8-8,5

126,8—400

помірний

коливаються тонкі гілки, підіймається пил

5

8,5-11

400-865

свіжий

розгойдуються листяні дерева, усі хвилі у баранцях

6

11-14

865-1783,6

сильний

розгойдуються товсті гілки, гудуть телефонні мережі

7

14-17

1783,6-3193

міцний

усі дерева розгойдуються, 3 гребнів хвиль зривається піна

8

17-21

3193-6020

дуже міцний

ламаються гілки дерев, важко йти проти вітру

9

21-25

6020-10156

шторм

зриваються димарі, невеликі руйнування

10

25-29

10156-15853

сильний

шторм

дерева вириваються з корінням, значні руйнування

11

29-34

15833-25550

жорстокий

шторм

широкомасштабні

руйнування

12

>34

> 25550

ураган

спустошувальні

руйнування

4.3.2 Енергетична характеристика вітру

Енергія вітру на земній кулі оцінюється приблизно в 175 — 220 тис. ТВт-год/рік, при цьому потужність вітрової енергії досягає (20 - 25)-109 кВт. Це приблизно в 2,5 рази більше сумарних витрат енергії на планеті. Вважається, що корисно можна використати лише 5 % цієї величини.

Що ж таке енергія вітру? Частина сонячної енергії, яка досягає зовнішніх шарів земної атмосфери, перетворюється на кінетичну енергію частинок повітря, які рухаються, тобто вітру. Кінетична енергія вітрового потоку (Дж) дорівнює

т - V2

де т - маса повітря, що рухається, кг; v - швидкість вітру, м/с.

Енергія вітру має ряд специфічних особливостей: малу

концентрацію, віднесену до одиниці об'єму повітряного потоку; випадковий характер зміни швидкості; з другого боку, повсюдне розповсюдження цього джерела енергії, надто досконалі технічні засоби вітроенергетики та їх економічна ефективність дозволяють розглядати його як доповнення до „великої” енергетики, насамперед для забезпечення енергією споживачів у важко доступних районах, віддалених від джерела централізованого енергопостачання.

Потужність вітровою потоку (Вт) визначається як

A F-v3

Р = - = Р х 2

де т — час, протягом якого виконується робота^, с;

р - густина повітря, кг/м3;

і ' • 2

ґ - площа, яку перетинає вітровии потік, м ;

v - швидкість вітру, м/с.

Вітрове колесо, розміщене в потоці повітря, може у кращому випадку теоретично перетворювати на потужність на його валу 16/27 = 0,59 (критерій Бетца) потужність потоку повітря, що проходить через площу перерізу, охоплювану вітровим колесом. Цей коефіцієнт можна назвати теоретичним ККД ідеального вітрового колеса. Насправді ККД нижчий і досягає для найкращих вітряних коліс приблизно 0,45. Це означає, наприклад, що вітрове колесо з довжиною лопаті 10 м при швидкості вітру 10 м/с у найкращому випадку може мати потужність на валу 85 кВт.

В цілому з врахуванням ККД і F = ж-L потужність вітроагрегата (кВт) визначиться за виразом

Р _г)в-Пе-Р-к-ІЇ-Vі л °~3 2

де tje - ККД вітродвигуна;

rje - електричний ККД вітрогенератора і перетворювача (в межах 0,70-0,85);

L - довжина лопаті, м.

Місцевості, придатні для розміщення вітроагрегатів поділяються на декілька класів (згідно з типами нерівностей). Такий поділ (таблиця 4.3.1) демонструє можливості забезпечення енергією вітроустановок в умовних одиницях (10 балів відповідає відсутності нерівностей, тобто 0-й клас поверхні), згідно з методикою європейської практики будівництва вітростанцій [1].

Оцінка енергозабезпеченості за балами залежно від характеру місцевості не завжди однозначна. Відомо, що після забудови місцевості або після насадження дерев її аеродинаміка може різко змінитися, може збільшитися кількість вітрового часу й зрости сила вітру. Те саме стосується й гірської місцевості. Незважаючи на значні захаращення в окремих місцях, пересіченість місцевості може утворювати щось подібне до каналів, у яких швидкість вітру набагато вища, ніж на відкритій місцевості.

Таблиця 4.3.1 - Класифікація вітрового потенціалу місцевостей за ____ характером_____________ нерівностей

Клас

нерівності

Топографія місцевості

Енергопотенціал

0

Відкрите море

10

1

Відкрита місцевість без високої рослинності та лісів

6,8

2

Окремі будинки з відстанню 1000 м між ними

4,6

3

Забудований район, ліси, пересічена місцевість

2,4

Дія кожної місцевості зміна швидкості вітру за висотою (епюра швидкостей вітру) має характерний вигляд, зображений на рисунку 4.3.1. На рисунку видно, що крім середньорічної швидкості для кожної місцевості є свій профіль швидкостей, який впливає на величину швидкісного напору. Ось чому для ефективного уловлювання вітру є своя оптимальна висота розташування вітроагрегата над рівнем землі. Так само, як і для середньорічної швидкості, попередньо робляться дослідження ефективної висоти розташування вітроагрегата при різних вітрових навантаженнях і потужностях самого вітроагрегата.

Рисунок 4.3.1 — Епюра швидкостей вітру над даною місцевістю

Згідно з ДСТУ 3896-99, вітрові електричні установки за потужністю підрозділяються на:

-установки малої потужності - номінальною потужністю до 100 кВт включно;

-установки середньої потужності - номінальною потужністю понад 100 до 1000 кВт включно;

-установки великої потужності - номінальною потужністю більше 1000 кВт.

В СІЛА вітроенергетичні ресурси класифікують залежно від середньорічної швидкості вітру або середньорічної питомої потужності вітру на висоті 10 і 50 м від поверхні землі (таблиця 4.3.2), така ж класифікація використовується у країнах Європи [2].

Таблиця 4.3.2 - Класифікація вітроенергетичних ресурсів залежно від середньорічної швидкості вітру або середньорічної питомої потужності вітру на висоті

10 і 50 м від поверхні з

&ЄМЛ1

Клас

Висота 10 м

Висота 50 м

Швидкість

вітру,

м/с

Питома

потужність,

Вт/м2

Швидкість

вітру,

м/с

Питома

потужність,

Вт/м2

1

0- 4,4

0-100

0-5,6

0-200

2

4,4-5,1

100-150

5,6-6,4

200-300

3

5,1-5,6

150-200

6,4-7,0

300-400

4

5,6-6,0

200-250

7,0-7,5

400-500

5

6,0-6,4

250-300

7,5-8,0

500-600

6

6,4-7,0

300-400

8,0-8,8

600-800

7

7,0-9,4

400-1000

8,8-11,9

800-1200

Додати коментар

Реквізити Майстерні своєї справи

Адреса і телефони:

Україна, Кіровоградська обл., м. Олександрія, вул. Куколівське шосе 5/1А,
тел./факс +38 (05235) 7 41 13,
+380 (68) 408 39 56 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (50) 984 5 684 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (67) 561 22 71 — решта обладнання
ICQ: 491675177
e-mail: msd@inbox.ru

WordPress Video Lightbox