lecture06 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004)

Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)6. Энергия ветра и возможности ее использования6.1. Происхождение ветра, ветровые зоны РоссииОсновной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности.Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельныхциркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом.На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами.

На север и на юг от зоны затишья расположены зоныпассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии постоянные ветрыприходят с северо-востока, в южном с юго-востока, как показано на схемерис. 6.1.1. Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широти отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6-8 м/сек. Эти ветры вблизи большихконтинентов нарушаются сильными годовыми колебаниями температуры идавления над материками. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км.Выше над пассатами находится слой переменных ветров, а над этим слоемнаходится зона антипассатов, дующих в направлении, противоположномнаправлению пассатов. Высота слоя антипассатов меняется от 4 до 8 км взависимости от времени года и от места.В субтропических широтах в поясах высокого давления зоны пассатовсменяются штилевыми областями.

К северу и югу от этих областей приблизительно до 70°на всех высотах дуют ветры между западным и юго-западнымрумбами в северном полушарии и между западным и северо-западным — вhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем1Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)южном полушарии. В этих широтах, кроме того, в атмосфере непрерывновозникают и затухают вихревые движения, усложняющие простую схемуобщей циркуляции атмосферы, показанную на рис.

6.1.1.Местные ветры. Особые местные условия рельефа земной поверхности(моря, горы и т. п.) вызывают местные ветры.Бризы. Вследствие изменения температур днём и ночью возникают береговые морские ветры, которые называются бризами.Рис. 6.1.1. Схема общей циркуляции земной атмосферы.Днём при солнечной погоде суша нагревается сильнее, чем поверхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и поднимается вверх. Вместе с этим более холодный морской воздух устремляется насушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся над сушей воздухтечёт в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берегаопускается вниз.Таким образом возникает циркуляция воздуха с направлением внизу –на берег моря, вверху – от суши к морю.

Ночью над сушей воздух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому направление циркуляции изменяется:внизу воздух течёт на море, а вверху с моря на сушу. Зона распространенияhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем2Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)бриза около 40 км в сторону моря и 40 км в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах достигает от 200 до 300 м. В тропическихстранах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном поясетолько летом, при жаркой погоде. У нас бризы можно наблюдать летом у берегов Чёрного и Каспийского морей.Муссоны. Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, нос годовым периодом.

Эта циркуляция, более крупного размера, чем бризы,.называется муссонами. Возникают муссоны по следующим причинам. Летомконтинент нагревается сильнее, чем окружающие его моря и океаны; благодаря этому над континентом образуется пониженное давление, в воздух внизу устремляется к континенту от океанов, а вверху наоборот, течёт от континентов к окружающим океанам. Эти ветры носят название морских муссонов.

Зимой континенты значительно холоднее, чем поверхность моря; надними образуется область повышенного давления; вследствие этого нижниеслои воздуха направляются от континента к океанам, а в верхних слоях – наоборот, от океанов к континентам. Эти ветры называются материковымимуссонами.Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии – вИндийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западноенаправление, а зимой – северо-восточное.

У восточных берегов Азии такженаблюдаются муссоны. Зимою дуют суровые северозападные материковыеветры; летом юго-восточные и южные морские влажные ветры. Эти ветрызначительно влияют на климат Дальневосточного края.Различные зоны страны имеют ветровые режимы, сильно отличающиеся один от другого. Значение среднегодовой скорости ветра в данномрайоне дает возможность приближенно судить о целесообразности использования ветродвигателя и об эффективности агрегата. Карта ветроэнергетических ресурсов России представлена на рис. 6.1.2.Прибрежные зоны северной части страны, Каспийское побережье и сеhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем3Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)верная часть Сахалина отличаются, как это видно на карте, высокой интенсивностью ветрового режима.

Здесь среднегодовые скорости ветра превышают 6 м/сек. В этих районах часто наблюдаются ураганные ветры (выше 30м/сек), которые сопровождаются снежными метелями и буранами. Поэтому вуказанной зоне можно использовать только агрегаты с ветродвигателями высокой быстроходности (двух-трехлопастные), прочность которых рассчитанана ветровые нагрузки при скоростях ветра 40 м/сек. В Арктике и на побережье наиболее эффективно применение ветроэлектрических станций, работающих совместно с тепловым резервом, а также небольших ветроэлектрических агрегатов.Рис. 6.1.2. Карта ветроэнергетических ресурсов России. Цифрами обозначены зоны со среднегодовыми скоростями ветра: 1 – выше 6 м/сек; 2 – от 3,5до 6 м/сек; 3 – до 3,5 м/сек.Большинство областей европейской части России относятся к зонесредней интенсивности ветра.

В этих районах среднегодовая скорость ветрасоставляет от 3,5 до 6 м/сек. К этой же зоне относится часть территории, лежащая юго-восточнее озера Байкал.Третья зона занимает обширную территорию Восточной Сибири иДальнего Востока, некоторых областей европейской части России. В этой зоне скорости ветра относительно невелики – до 3,5 м/с, и широкое применение здесь ветроэнергетических установок не рекомендуется.http://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем4Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)6.2.

Классификация ветродвигателей по принципу работыСуществующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.Первый класс включает ветродвигатели, у которых ветровое колесорасполагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми.Быстроходностью называется отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветра:Z=ωRV.(6.2.1)Крыльчатые ветродвигатели, согласно ГОСТ 2656-44, в зависимости оттипа ветроколеса и быстроходности, разделяются на три группы (рис. 6.2.1).− ветродвигатели многолопастные, тихоходные, с быстроходностьюZn ≤ 2 .− ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряныемельницы, с быстроходностью Z n > 2 .− ветродвигатели малолопастные, быстроходные, Z n ≥ 3 .Ко второму классу относятся системы ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветрового колеса.

По конструктивной схеме они разбиваются на группы:− карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра;− роторные ветродвигатели системы Савониуса.К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными. У этихветродвигателейосьвращениягоризонтальнаиперпендикулярнанаправлению ветра.http://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем5Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Рис. 6.2.1. Схемы ветроколес крыльчатых ветродвигателей: 1 - многолопастных; 2-4 - малолопастныхОсновные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколесав потоке ветра, а именно:1.

Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочерёдно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низкими не превышает 10%, что установлено экспериментальными исследованиями.2.

Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра.3. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесённый к единице установленной мощностиветро-двигателя.У роторных ветродвигателей системы Савониуса наибольший коэффициент использования энергии ветра 18%.Крыльчатые ветродвигатели свободны от перечисленных выше недосhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем6Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)татков карусельных и барабанных ветродвигателей.