§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
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
