ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА
6.1. Общие сведения. Ветер как источник энергии
Атмосфера планеты Земля представляет собой тонкую газовую оболочку, окутывающую ее поверхность. толщина «плотной» атмосферы составляет всего лишь 40-50 км. На высоте 70 км относительно уровня океана плотность воздуха в 1 000 раз меньше его плотности над этой «нулевой» поверхностью. Основная же масса атмосферы (примерно 90 %) сосредоточена в оболочке толщиной 16 км. Именно в этом слое проявляются многие атмосферные процессы, оказывающие влияние на окружающую среду и жизнедеятельность человека. К таким физическим процессам относится также и перемещение воздушных масс, называемое ветер.
Для эффективного использования энергии ветра информация о нем должна содержать описание природных процессов, формирующих ветер как источник энергии. Получение подробных сведений о ветре, выявление его энергетической ценности дает возможность определить как ветроэнергетические ресурсы территорий, так и энергетический потенциал конкретного ветроэнергетического объекта — ветроэнергетической установки (ВЭУ) или состоящей из нескольких ВЭУ ветроэлектрической станции (ВЭС).
Систематизация данных и характера ветра и алгоритм создания информационной базы по ветровым режимам на конкретной территории представлены на рис. 83 [Методы разработки…, 1963].
Формирование ветра. Первопричиной образования ветра, так же как и многих других динамических явлений, происходящих на поверхности Земли и в ее атмосфере, является энергия Солнца. Прямое поглощение солнечной энергии атмосферой весьма незначительно, поскольку активно поглощают ее только водяной пар, озон, углекислый газ и пыль. Что касается основных компонентов воздушной оболочки азота
|
Рис. 83. Алгоритм создания информационной базы по ветровым режимам [Методы разработки 1963] |
и кислорода, то эти газы для солнечных лучей прозрачны. Поэтому основная часть солнечной энергии передается атмосферному воздуху от нагретой поверхности Земли в виде инфракрасного излучения, молекулярной диффузии, конвекции водяных паров и прочих физических явлений.
Воздух, нагреваясь возле поверхности Земли, поднимается вверх, так как его удельный вес при нагревании становится меньше. Это вертикальное движение воздуха является первичным и основным в ряду последовательных процессов, вызывающих появление ветра. Последовательность процессов движения воздуха от нагрева к охлаждению и снова к нагреву и т. д. по мере его движения относительно вращающейся вокруг оси поверхности Земли во времени и пространстве приводит к возникновению атмосферной циркуляции (рис. 84). Если бы не было других причин, усложняющих картину воздушного течения, то в соответствии с приведенной схемой в северном полушарии ветер постоянно дул бы в направлении с севера на юг.
Однако в действительности характер течения воздушных масс значительно сложнее. Совместное действие сил трения, так называемых сил Кариолиса, разъединяет циркуляцию на несколько частей. Силы трения возникают под воздействием географических факторов: расположения океанов, материков и их рельефа и пр. Наиболее близкой к реальному течению считается трехячеистая модель (рис. 85) [Абрамовский, Е. Р., городько, с. в., свиридов, н. в., 1987].
|
рис. 84. циркуляция воздуха в атмосфере |
|
рис. 85. циркуляция воздушных масс в северном полушарии |
на широтах, близких к 300, где воздушные массы опускаются под влиянием центробежных сил, располагается зона повышенного давления и штилей. Отклонение ветра влево или вправо по стрелкам обусловлено вращением Земли и влиянием сил Кариолиса. На близких к 600 широтах климат характеризуется довольно неустойчивым ветровым режимом. Это обусловлено встречным движением воздушных масс: с севера — холодных, с юга — теплых. Движение по криволинейной траектории вызывает появление центробежных сил F. Циркуляционные изменения направления движения воздушных масс обусловлены влиянием океанских течений — холодных и теплых, рельефом местности и множеством других цикличных и случайных факторов (рис. 86).
|
|||
|
|||
|
|||
|
|||
|
|
||
|
|||
Аэродинамические воздействия Аэродинамические Аэродинамические воздействия Аэродинамически* неровностей и шероховатости воздействия открытости и строений воздействия, траві
Рис. 86. Схематичное изображение влияющих на ветер внешних факторов
[Борисенко, М. М., 1974]
в общем случае движение воздушных масс происходит по криволинейным траекториям, что вызывает появление центробежных сил вокруг центров низкого и высокого давлений. Такие движения называются соответственно циклоном и антициклоном (рис. 87).
выс око е давление (антициклок»)
сипа Кар полис а
Гр — сипа давления (от высокого к низкому)
центр О b еЖНаЛ СГШа
Рис. 87. Движение ветра в циклоне и антициклоне в северном полушарии
[Борисенко, М. М., 1974]
в северном полушарии движение воздушных потоков в циклоне происходит против часовой стрелки, а в антициклоне — по часовой
стрелке. Важно отметить, что сила ветра в антициклоне всегда выше, чем в циклоне. условие равновесия сил циклона и антициклона наблюдается возле поверхности земли, где добавляются силы трения, естественным образом направленные против силы ветра.
Действие силы трения изменяет ветер так, что вектор его скорости начинает пересекать изобары. в случае циклона появляется составляющая, направленная к центру. скапливаясь в центре циклона, воздух затем выдавливается вверх (рис. 88).
|
рис. 88. характер циркуляций воздушных масс в циклоне [Борисенко, М. М., 1974] |
происходит заполнение циклона. нижней частью такой ниспадающей хаотично вихревой трубы под воздействием на поверхность водных массивов и на слабые по структуре почвы (песчаные, измельченные эрозией торфяники, свежая сухая пашня) влага и вышелушенные из поверхности земли частицы грунта, а с ними минеральные удобрения, пестициды и пр. пылевидного «мусора» выносятся за пределы циклона. Причем часть взвешенных твердых частиц, последовательно перемещаясь в циркуляционных потоках при движении циклона, забрасываются на довольно большие расстояния от места первоначального залегания [Борисенко, М. М., 1974].
В антициклоне наоборот — скорость ветра имеет составляющую, направленную от центра. Это способствует опусканию воздуха вдоль центровой зоны пониженного давления антициклона и его постепенному рассеянию. Зона пониженного давления (трубка) в центре антициклона совместно с устойчивой составляющей вдоль зоны создают подсос из приземного слоя (рис. 89). В приземной части трубки давление настолько низко, что краевые вихри, подсасывая влагу с поверхности водных массивов и вышелушивая грунт, интенсивно заполняют пылевой и водной массой центровую зону антициклона. По мере движения вверх под воздействием центрального вихря распыленная влага и наиболее мелкие твердые частицы разгоняются до скоростей, способных выбросить их из антициклона на довольно большие расстояния от места первоначального залегания. Более крупные частицы с влагой зависают в циркуляционных потоках и переносятся на другие территории при перемещении антициклона. в случае попадания центра циклона или антициклона на травянистый грунт, заболоченные почвы или на поверхность водного массива захватывается только водно-капельная составляющая. образующийся в верхних слоях конденсат нагретых у поверхности земли водяных паров образует в летнее время тучи с противоположными электрическими зарядами, как в циклонах, так и в антициклонах. в местах соприкосновения циклона и антициклона возникают грозовые дожди с резким порывистым ветром.
|
рис. 89. характер циркуляций воздушных масс в антициклоне [Борисенко, М. М., 1974] |
под влиянием циркуляций перемещение воздушных масс совершается как во времени, так и в пространстве: микромасштабные (продолжительность до 1 ч, перемещение на расстояние не более 20 км), синоптические (продолжительность более двух суток, перемещение на расстояние более 500 км) и мезомасштабные — на расстояния, промежуточные между указанными выше.
Влияние форм и размеров океанов и материков искажает общую стабильную картину циркуляций вдоль побережий. С удалением от побережий циркуляция стабилизируется, но, тем не менее, влияние местных особенностей на скорость ветра иногда значительно. Особенно в зоне 60-х параллелей, в которой расположено большинство европейских государств. И чем далее на восток, тем проявления местных особенностей выше.
Ветры, образующиеся в первой от экватора ячейке до 300 северной и южной широт, именуются муссонами и пассатами. Это наиболее мощные ветровые системы, охватывающие большие территории. сила и направление ветра на этих территориях зависят от времени года (сезонные ветры) и времени суток, а проявление циркуляций в течение суток и сезонов зависит от температурной переменчивости прилегающих
поверхностей суши и моря (рис. 90). Например, океан летом охлаждается быстрее, чем побережье, а зимой — наоборот.
|
|
холодная теплая
поверхность поверхность
рис. 90. сезонная и суточная циркуляция воздушного потока
Аналогичное явление возникает при смене дня и ночи: ночью суша охлаждается быстрее, соответственно меняется направление ветра, что особенно характерно для республики Беларусь. это объясняется холмистостью территории, наличием диагонального вдоль территории республики водораздела и высокой насыщенностью болотами и лесами.
на континенте, вдали от водоемов, ночью ветер всегда слабее, чем днем, и достигает максимальных скоростей чаще всего к полудню. в большинстве регионов наблюдаются значительные сезонные изменения ветровых потоков. в холодные месяцы скорость ветра обычно выше, чем летом.
Экстремальные свойства ветра. При определенных условиях — высокая насыщенность восходящих потоков водяным паром, наличие подстилающей водной или пылевой поверхности, возникновение суммарных окружных скоростей циклона и антициклона (более 50 м/с) — может возникнуть устойчивый вихрь — смерч, который называют в Северной Америке торнадо (рис. 91). Это самое коварное проявление ветровой активности.
Сформировавшийся смерч может привести к огромным разрушениям с человеческими жертвами. Такой вихрь не стоит на месте, а перемещается со скоростью 40-60 км/ч. При этом его скорость и направление непредсказуемы. направление смерча можно лишь предположить, оценивая его самопроизвольную ориентацию на водную, пылевидную или любую другую сыпучую или влажную подстилающую поверхность. вся эта инертная масса перемещается вместе со смерчем и «рассеивается» из верхних слоев на довольно большом расстоянии от места подсоса. Мощные смерчи порой всасывают в себя довольно крупные камни, обломки строений, стволы деревьев и т. п. При попадании на прочную сухую поверхность такая вихревая структура может 186
|
Рис. 91. Схема устойчивого вихря (смерча или торнадо) [Борисенко, М. М., 1974] |
развалиться и вся составляющая смерч масса инертных компонентов рухнет, рассыпавшись по близлежащей территории. продолжительность образования смерча исчисляется от нескольких минут до часа и дольше.
поскольку большая часть территории республики Беларусь является равнинно-холмистой с перепадами высот от 100 до 345 м, то возникновение экстремальных свойств ветра может происходить в местах резких перепадов высот: в воздушных коридорах; вдоль рек с обрывистыми берегами; вдоль водоразделов; между высокими холмами, при наличии ряда болот, озер и водохранилищ; иными словами — практически повсеместно. Во-первых, это — Полоцкая низменность; в окружении Городокской, Витебской, Оршанской, Минской возвышенностей и Свенцянской гряды; во-вторых, Нарочано-Вилейская низина в окружении Свенцянской гряды, Минской и Ошмянской возвышенностей; в-третьих, Лидская равнина в окружении Гродненской, Волковысской, Новогрудской и Ошмянской возвышенностей (рис. 92). В определенные периоды возможно возникновение циклоид и в поймах рек. на возвышениях и вдоль них среднегодовая скорость ветра может достигать 8 м/с, а при порывах — 20-30 м/с [НИР НПО «Ветроэн», 1987]. Далее в циклоиде с удалением от края к центру скорость приземного ветра и атмосферное давление снижаются [Ермашкевич, В., 1997].
|
Рис. 92. Примерное распределение ветровых циклоид на территории Беларуси |
чаще смерчей наблюдаются менее концентрированные образования ветровой активности — бури (штормы) или ураганы. Буря — это продолжительный сильный ветер, скорость которого в среднем составляет 15-20 м/с. Сила ветра во время бури оценивается в 8-11 баллов по ветровой шкале Бофорта (1 балл соответствует приблизительно 2 м/с). Причина их возникновения — значительная разность температур и давлений смежных воздушных масс. Как правило, поток ветра в зоне бури и урагана движется по спирали (в северном полушарии закручивающейся против часовой стрелки) вверх к ее середине. Этот поток, слабея по мере подъема, поднимается на высоту 12-16 км. Продолжительность бури — от нескольких часов до нескольких суток, урагана — 9-12 дней. Ширина зоны ураганных ветров, несущих разрушения, достигает 200 км.
Оценка среднемесячной, среднегодовой и средней многолетней скорости ветра. В ветроэнергетических расчетах исходные характеристики общего уровня интенсивности ветра определяются по метео
рологическим данным за длительный период времени, сопоставимый с предписанным сроком эксплуатации ветроэнергетической установки 20-25 лет. Средняя скорость ветра определяется как средняя арифметическая величина, полученная из ряда замеров скорости ветра, выполненных через равные интервалы времени в течение заданного периода [Борисенко, М. М., 1974].
Если в сутки делается M замеров скорости ветра, а в месяце N суток, то средняя за j-й месяц /-го года скорость ветра Um/ определяется выражением
_ N M ____
UMij = уХух Unmij / NM, (3)
n=1 m=1
где U„ті, — скорость ветра m-го замера, и-ых суток, j-го месяца, /-го года, м/с; U — средняя скорость движения воздушных масс, в данном случае градиентного ветра; J — число месяцев в году; I — число лет наблюдений.
По этой формуле выполняется первичная обработка исходной информации о ветре, результаты которых приводятся в метеорол иче — ских ежемесячниках. Аналогично і-я средняя годовая скорость иГ и средняя многолетняя U определяются формулами
йп = ‘£йм, (4)
j=1 J
N M _
_ ^ ^ U
 |
 |
 |
 |
n=1 m=1 , (5)
где J — число месяцев в году; I — число лет наблюдений.
при обработке и систематизации данных о средних скоростях ветра и выявлении измерений, происходящих как во внутригодовом, так и в многолетнем периоде, неизбежно возникает вопрос о длине ряда измерений (в нашем случае, длительности лет многолетних наблюдений), необходимый для достоверности результатов. В общем случае с увеличением ряда (объема исходных данных от ГМС) достоверность полученной информации повышается. Однако рост объема исходной информации до определенного предела при равноточности измерений целесообразен до определенного предела, после которого изменение конечного результата в сторону уточнения оказывается незначительным.
Проведенная ревизия архивных записей всех ГМС на территории Беларуси выявила, что в течение всего 25-летнего срока наблюдений происходило естественное изменение открытости анеморумбометров и флюгеров, увеличение высоты опоры ветроизмерительных датчиков и перенос их на новое место с изменением расположения на рельефе (чаще с вогнутой или выпуклой поверхности на ровную). отчетные характеристики за 25 лет приводились с информацией последнего расположения датчиков, что некорректно: во-первых, средняя многолетняя скорость ветра является одним из критериев оценки эффективности энергии ветра, так как в первом приближении по ее величине судят о ветроэнергоресурсах территории, о перспективности возведения вэу на предложенных пользователем строительных площадках; во-вторых, средняя многолетняя величина скорости ветра в пересчете на экономические категории (например, срок окупаемости кредита) является основным расчетным показателем для инвестирования создания вэс и локальных вэу. ошибка даже на десятую часть в определении средней многолетней величины скорости ветра может привести к непоправимым экономическим потерям.
с целью получения репрезентативных данных о средних многолетних скоростях ветра на каждой гМс, так и на группах ГМС обследуемых территорий, было осуществлено приведение фактических средних годовых скоростей ветра по многолетнему ряду к так называемой среднегодовой фоновой скорости ветра
Фоновая скорость ветра — это приведенная расчетным путем к условиям открытой (без влияния крупных водных массивов) ровной местности в приземном слое на высоте 10 м от поверхности земли средняя годовая (сезонная или месячная) скорость ветра за 20-25-летний период, оцененная многолетними исследованиям государственных метеорологических станций и постов.
Приведение к Йф фактической средней многолетней скорости ветра выполняется с помощью коэффициентов приведения ко по характеру открытости с учетом формы поверхности плато (выпуклая, ровная, вогнутая) и kh к высоте опоры ветроизмерительного датчика:
U ф = k0 kh U. (9)
Зональное распределение фоновых скоростей ветра. По результатам проведенных натурных исследований и практики внедрения ветроэнергетических установок на территориях государств ПрибалтийскоЧерноморского региона, а также оценки ветровых режимов в Беларуси с использованием статистических справочных данных 1964-1987 гг.
 |
 |
 |
 |
 |
Рис. 93. Граничные значения среднегодовых фоновых скоростей ветра
за год на территории Прибалтийско-Черноморской зоны
С увеличением масштаба точность оценки распределения фоновых среднегодовых скоростей ветра обеспечит более достоверные показатели для дальнейших ветроэнергетических расчетов (рис. 94).
|
Рис. 94. Граничные значения среднегодовых фоновых скоростей ветра за год на территории Беларуси [Атласы…, 1997; Новый аэроклиматический…, 1987] |
Зональное распределение макроформ рельефа позволяет на первой стадии прогнозных расчетов оценить ветроэнергетические ресурсы для территорий регионального, республиканского, областного и даже районного деления, используя обычные географические карты допустимых для пользователей масштабов с перенесенными на эти карты граничными значениями среднегодовых фоновых годовых скоростей ветра (рис. 95).
В качестве примера разработки параметров для графиков распределения скоростей ветра для мезоформ рельефа и номограммы на рис. 96 и в табл. 20 приведено расположение пунктов измерений при натурном обследовании места возведения ветроэнергетической установки в 1998 г. в д. Янковцы Дзержинского района Минской области [Жуков, Д., 2002].
|
Рис. 95. Физическая карта зонального распределения фоновых средних годовых скоростей ветра на территории Беларуси Лаврентьев, н. А., 2004] |
|
|
рис. 96. зависимость скорости ветра от абсолютной высоты местности Н0
макроформ рельефа Uф и мезоформ U
———- — открытая равнина (плато);
_______ — подветренные склоны <3°, дно котловин с откосами <3°, закрытые равнины
и долины большой протяженности;
— • — • — • — наветренные склоны <3°, вершины возвышений откосами <3°, долины большой протяженности
|
Таблица 20 Паспорт площадок, благоприятных для размещения ВЭУ (д. Ямковим)
Примечание* паспорт площадок для возведения ВЭУ взят из Ветроэнергетического атласа руп «Белэнергосетъпроект» [нир №12488, 1995] |
основным показателем при расчете ветроэнергетического ресурса выбранной площадки на территории д. Янковцы была принята среднегодовая фоновая скорость ветра [Лаврентьев, Н. А. 2004], то есть скорость ветра на ровном открытом месте (рис. 97). Осреднение, которое обеспечивает достоверность этого показателя, произведено по сопоставлению показателей измерений скоростей ветра при натурных обследованиях пункта внедрения ВЭУ с аналогичными показателями близ расположенной гидрометеостанции ГМС «Воложин».
Оценка скоростей ветра на высоте до 100 м. Востребованность ветроэнергетического оборудования хозяйствующими субъектами возрастает с каждым годом. Причем диапазон показателей ВЭУ по мощности весьма обширен — от 200 Вт до 2-х МВт и более. Естественное увеличение мощности и, соответственно, диаметра ветроколеса ВЭУ влекут за собой возрастание высоты ветроэнергетической установки. Для ВЭУ более 2-х МВт габаритная высота достигает уже 110-130 м при высоте опоры от 80 до 100 м.
С точки зрения ветроэнергетики потребность в приведении фактической скорости ветра к расчетной фоновой скорости обеспечивается сопоставимостью показателей [Борисенко, М. М., 1974]:
• многолетних исходных данных по территории республик при зональном распределении к расчетам ветроэнергетического ресурса;
• скоростей ветра различных метеостанций и натурных обследований, используемых при различных расчетах в единообразной математической форме;
|
|
|
Известно, что с увеличением высоты опоры скорость ветра возрастает. При сопоставлении исходных данных выявлено, что при оценке фоновой скорости ветра на h=10 м, требуется приведение к этой высоте. значения параметров об изменении вертикального профиля ветра при аппроксимирующей зависимости вертикального профиля ветра, описываемой степенной функцией т, т. е. закономерности изменения скорости ветра с высотой при идентичной степени защищенности по различным источникам информации несколько отличаются.
Аппроксимирующая зависимость вертикального профиля ветра описывается степенной функцией вида Губарев, в. в., Минин, в. а., степанов, и. р, 1989]:
U = иф х(Ню/hx)m, (19)
где Ux и Uф — скорости ветра на высотах h=10 м и h= х м; т — показатель степенной функции [Борисенко, М. М.1974, 1977] (рис. 98).
|
Рис. 98. Зависимость поправочного коэффициента kh скорости ветра U от высоты h к поверхности земли (высоты опоры ВЭУ или флюгера) |
рекомендуемый рядом работ расчетный показатель степени т для оценки на высоте флюгера h = 10 м при среднегодовой скорости ветра 4,5 м/c: в году m = 0,20; зимой и осенью — т =0,17; а весной и летом соответственно m = 0,22 и 0,24. Поскольку высота опор ветроизмерительных датчиков при натурных измерениях и для маломощных ВЭУ 0,4-4,0 кВт не превышает стандартный уровень 10 м, то функциональная зависимость т от скорости ветра в диапазоне до 10 м/с по слоям атмосферы близкая к линейной. Однако для мощных ВЭУ высота h может достигнуть 100 м и более, а при тех же характеристиках ветра функциональная зависимость т — криволинейная (рис. 99).
|
Рис. 99. Характерная зависимость показателя степени m от скорости ветра на высоте h расположения ветроизмерительного датчика (флюгера) |
Следует иметь в виду, что в слое 2-10 м даже при слабом ветре параметр m не имеет четко выраженной связи с направлением ветра и особенностями рельефа. например, для прибрежных зон Балтийского и Черного морей степенной коэффициент m = 0,14.
В последующих расчетах, а также выборе высоты опоры ВЭУ, следует учитывать послойное распределение направлений движения ветровых потоков (включая зону неопределенности), воздействующих на ометае — мую поверхность ветроагрегатов, сезонность, шероховатость подстилающей поверхности окружающей территории, свойства рельефа и влияния близко расположенных различных сооружений и растительности.
Факторами, определяющими увеличение рабочей скорости ветра и оптимизацию энергоэффективности работы ВЭУ, являются:
• использование свойств рельефа (размещение ВЭУ на вершинах холмов, на наветренных склонах, в ветровых коридорах и т. п.);
• климатические особенности территорий (влияние преобладающих направлений и скоростей ветра, закрытость, шероховатость подстилающей поверхности и т. п.);
• близость больших водных массивов;
• использование высоты зданий и сооружений в качестве опоры для ВЭУ с учетом устранения недопустимых для строений и персонала вибраций, шума и электромагнитных излучений;
• умелое совмещение с другими источниками энергоснабжения и аккумулирование энергии.