Ветровые установки
Ветровые
установки
ветродвигатель энергия крыльчатый
колесо
1.
Энергия ветра и возможности её использования
ветер ветродвигатель энергия
Уже очень давно, видя, какие разрушения могут
приносить бури и ураганы, человек задумывался над тем, нельзя ли использовать
энергию ветра.
Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани
первыми начали сооружать древние персы свыше 1,5 тыс. лет назад. В дальнейшем
ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и
откачивали воду, сбивали масло, как, например в Голландии. Первый
электрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 г. Через 20 лет в стране
работали уже сотни подобных установок.
Энергия ветра очень велика. Ее запасы по оценкам
Всемирной метеорологической организации, составляют 170 трлн кВт·ч в год. Эту
энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два
существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он
непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных
районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломают ветряки.
Строительство, содержание, ремонт
ветроустановок, круглосуточно работающих в любую погоду под открытым небом,
стоит недешево. Ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по
сравнению с ними должна занимать большую площадь. К тому же ветроэлектростанции
небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны
вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих
населенных пунктах.
Принцип работы ветроустановок очень прост:
лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую
энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию
электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают как игрушечные
машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо
преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается
электрический ток.
Для получения энергии ветра применяют разные
конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров с
тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у нее есть груз противовес);
вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насажанную на ось бочку;
некое подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта: наружные концы его лопастей
загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что
улавливают ветер любого направления. Остальным приходится разворачиваться по
ветру.
Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра,
сооружают огромные «ветреные фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на
обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может
дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком близко,
чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места. Такие
фермы есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили
на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер
устойчивее, чем на суше.
Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления
и силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра,
и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также
воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя
вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода
поднимается на определенную высоту, а, падая вниз, вращает турбину). Ставят
также электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий
воду на кислород и водород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости
сжигают в топливном элементе (т.е. в химическом реакторе, где энергия горючего
превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже
без резких колебаний напряжения, связанного с капризами ветра.
Сейчас в мире работает более 30 тыс.
ветроустановок различной мощности. Германия получает от ветра 10% своей
электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По
мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются,
цена воздушного электричества падает. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1
кВт·ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к
2000 году она снизилась в 1,5 раза. Правда энергия АЭС обходится всего в 12
сантимов за 1 кВт·ч.
2.
Состояние и перспективы использования ВИЭ в мире по основным видам
Динамика исследования по видам ВИЭ в мире
характеризуется следующими данными.
Установленная мощность ветроустановок в мире
увеличилась с 6172 МВт в 1996 г., до 12000 МВт в 1999 г. и до 23000 МВт в 2001
г. Прогноз на 2006 г. - около 3600 МВт. Страны-лидеры: Германия - 4444 МВт, США
- 1819 МВт; Дания - 1752 МВт; Испания - 1539 МВт; Индия - 1100 МВт.
Оборот ветроэнергетической индустрии в мире в
1998 г. составил 1,7 млрд долларов и по сравнению с 1997 г. увеличился на 31 %.
В Германии, например, только за первую половину
2001 г. введены в эксплуатацию ветроэнергетические установки (ВЭС) мощностью
800 МВт, что на 50 % больше, чем за весь 2000 г., а всего в стране на 2001 г. установлено
почти 10000 МВт ВУ. Их доля в выработке электроэнергии составила более 2,5 %.
3 Классификация ветроустановок
Ветроустановки классифицируется по следующим
признакам:
положению ветроколеса относительно направления
ветра;
геометрии ветроколеса;
по мощности ветроустановки.
В настоящее время технические средства включают
два основных типа промышленных ветроустановок: горизонтальные - с горизонтально
осевой турбиной (ветроколесом), когда ось вращения ветроколеса параллельна
воздушному потоку; вертикальные - с вертикально осевой турбиной (ротором),
когда ось вращения перпендикулярна воздушному потоку.
Ветроколесо с горизонтальной осью делятся на
однолопастные, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные; с вертикальной
осью различают следующие конструкции роторов: чашечный анемометр, ротор
Савониуса, ротор Дарье, также имеются конструкции с концентратами (усилителями)
ветрового потока, такие, как ротор Масгрува, ротор Эванса, усилители потока
специальной конструкции.
Следует отметить, что ветроколесо с вертикальной
осью вращения, в отличие от с горизонтальной, находятся в рабочем положении при
любом направлении ветра, однако их принципиальным недостатком являются большая
подверженность усталостным разрушениям из-за возникающих в них
автоколебательных процессов и пульсация крутящего момента, приводящая к
нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого
подавляющее большинство ветрогенераторв выполнено по горизонтально-осевой
схеме, хотя продолжаются всесторонние проработки различных типов
вертикально-осевых установок.
По мощности ветроустановки делятся на: малой
мощности - до 100 кВт, средней - от 100 до 500 кВт, и большой (мегаваттного
класса) - 0,5-4 МВт и более.
Существующие системы ветродвигателей по схеме
устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три
класса.
Первый класс включает ветродвигатели, у которых
ветровое колесо располагается 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:
Крыльчатые ветродвигатели, согласно
ГОСТ 2656-44, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности, разделяются
на три группы (рисунок 3).
− ветродвигатели
многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Zn ≤ 2.
− ветродвигатели
малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Zn
> 2 .
− ветродвигатели
малолопастные, быстроходные, Zn ≥ 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 шир-мой, либо располагаются ребром против
ветра;
− роторные ветродвигатели
системы Савониуса.
К третьему классу относятся
ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые
барабанными. У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и
перпендикулярна направлению ветра.
- многолопастных; 2-4 -
малолопастных
Рисунок 3. Схемы ветроколес
крыльчатых ветродвигателей
. Принцип
действия ВЭУ
Принцип действия ветровых турбин
такой же, как у других турбин (паровой, газовой, водяной турбины). На рисунке 3
приведены принципиальные схемы основных ветровых турбин.
Двухлопастное ветроколесо
обеспечивает большую экономичность, чем трехлопастное, однако, первое в ряде
случаев подвержено значительным вибрационным нагрузкам, отсутствующим во втором
случае. Центростремительную силу, действующую на лопасть, можно свести к
минимуму, уменьшив ее массу. Для изготовления лопастей пригодны дерево, пластик
и, в особенности, армированное стекловолокно, обладающее хорошими прочностными
характеристиками. Стекловолокно выдерживает штормы, рабочие нагрузки и, кроме
того, исключительно технологично. Защита от разрушения лопастей при чрезмерной
силе ветра осуществляется с помощью поворотного механизма, который при заданной
предельной скорости ветра разворачивает лопасти во флюгерное положение.
Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения, параллельной потоку, разработаны
лучше, чем второй тип двигателей с вертикальной осью.
У ветродвигателей с горизонтальной
осью имеется один главный недостаток: для получения оптимальной мощности они
должны быть установлены на башне. Это связано не только с обеспечением
свободного пространства для лопастей, а главным образом с тем, что скорость
ветра с ростом высоты, как правило, возрастает. Необходимость строительства
башни становится при этом важнейшим фактором, влияющим на экономическую
целесообразность установки ветродвигателя в том или ином месте. Ветродвигатель
с вертикальной осью вращения в этом смысле имеет преимущество, однако, и у него
есть ряд своих недостатков.
- однолопастной ротор; 2 -
двухлопастной ротор; 3 - трехлопастной ротор; 4 - много-лопастной ротор; 5 -
ротор типа "велосипедное колесо"; 6 - ротор Дарье; 7 - с
горизонталь-ной осью вращения; 8 - с пневмопередачей мощности; 9 - парусного
типа; 10 - с диффу-зором; 11 - с концентратором; 12 - многороторная; 13 -
двухроторная; 14 - вихревые.
Рисунок 3. Принципиальные
конструкции основных типов ветровых
турбин
Для повышения эффективности ВЭУ целесообразно
объединение их в автономную малую энергосистему. При этом автономная
ветроэнерге-тическая система будет иметь плавающую частоту напряжения из-за
изменения скорости ветра. В данном случае целесообразно не жесткое, посредством
линии электропередачи, а гибкое объединение автономных нетрадиционных
источников энергии с централизованной системой энергоснабжения, т.е. создание
гибких управляемых связей между энергосистемами.
5 Работа поверхности при действии на нее силы
ветра
Скорость ветра является важнейшей
характеристикой технических свойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F
обладает кинетической энергией, определяемой выражением:
Масса воздуха, протекающая через
поперечное сечение F со скоростью V, равна:
Мощность Т определяется
произведением силы Р на скорость V:
Одну и ту же работу можно получить
либо за счёт большой силы, при малой скорости перемещения рабочей поверхности,
либо, наоборот, за счёт малой силы, а, следовательно, и малой поверхности, но
при соответственно увеличенной скорости её перемещения.
Допустим, мы имеем поверхность F,
поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие
торможения его поверхностью получит подпор, и будет обтекать ее и производить
давление силой Рх. Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться
в направлении потока с некоторой скоростью U (рисунок 4); работа при этом будет
равна произведению силы на скорость U, с которой перемещается поверхность F, т.
е.:
где Рх - сила сопротивления, которая
равна :
где Сх - аэродинамический
коэффициент лобового сопротивления;- поверхность миделевого сечения теля, т.е.
проекции площади тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока.
В этом случае ветер набегает на
поверхность с относительной скоростью, равной :
Подставив значение Рх получим:
Определим отношение работы,
развиваемой движущейся поверхностью к энергии ветрового потока, имеющего
поперечное сечение, равное этой поверхности:
Величину ξ называют
коэффициентом использования энергии ветра.
Из уравнения мы видим, что ξ зависит от
скорости перемещения поверхности в направлении ветра. При некотором значении
скорости U коэффициент £
получает
максимальное значение. В самом деле, если скорость перемещения поверхности
равна нулю U = 0, то работа ветра также равна нулю. Если U = V, т.е.
поверхность перемещается со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, так
как нет силы сопротивления, за счёт которой совершается работа. Отсюда следует,
что значение скорости U заключено в пределах между U = 0 и U = V.
Установлено, чтобы получить
максимальное ξ,
поверхность
должна перемещаться со скоростью:
Максимальный коэффициент
использования энергии ветра при работе поверхности силой сопротивления не может
быть больше ξ
=
0,192.
Наибольший коэффициент использования
энергии ветра у роторных ветродвигателей системы Савониуса - 18 %.
Рисунок 4. Действие силы ветра на
поверхность
. Работа
ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя
Крыльчатые ветроколеса работают за
счет косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости
ветра в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае.
Устройство такого колеса показано на рисунке 5.
На горизонтальном валу закреплены
крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от 2 и больше. Крыло
ветроколеса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она
образует с плоскостью вращения некоторый угол φ. Этот угол
называют углом заклинения лопасти (рисунок 6). При этом на ее элементы набегает
воздушный поток с относительной скоростью W под углом ά, который
называют углом атаки, и действует с силой R. Углы φ и ά в
значительной мере определяют эффективность крыльев. Силу R раскладывают на силы
Рх и Ру (рисунок 6, а). Силы Рх производят давление в направлении ветра,
которое называется лобовым давлением. Силы Ру действуют в плоскости у-у
вращения ветроколеса и создают крутящий момент.
Максимальные силы, приводящие колесо
во вращение, получаются при некотором значении угла атаки ά, т.е. угла
наклона относительного потока к поверхности лопасти. Ввиду того что окружная
скоростью длине крыла неодинакова, а возрастает по мере удаления его элементов
от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набегания потока на
лопасть также возрастает.
Рисунок 5. Конструктивная схема
крыльчатого ветроколеса
Рисунок 6. Схема действия сил
воздушного потока на элемент лопасти (а) и графическое изображение
относительного потока, набегающего на элементы лопасти, расположенные на разных
радиусах ветроколеса (б)
Вместе с этим убывает угол атаки ά, и при
некоторой окружной скорости wR, где w угловая скорость, этот угол станет
отрицательным (рисунок 6, б). Следовательно, не все элементы крыла будут иметь
максимальную подъемную силу.
Если мы будем уменьшать угол φ каждого
элемента лопасти по мере удаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший
угол атаки ά
примерно
сохранялся постоянным, то мы получим условие, при котором приблизительно все
элементы лопасти будут работать со своей максимальной подъемной силой. Лопасть
с переменным углом заклинения со получает форму винтовой поверхности.
Правильные углы заклинения лопасти
при хорошем аэродинамическом качестве профиля, а также ширине, соответствующей
заданной быстроходности, обеспечивают высокий коэффициент использования энергии
ветра. У хорошо выполненных моделей он достигает 46 %.
В большинстве современных ветровых
турбин с помощью специальных устройств (центробежных, гидравлических и других)
обеспечивается возможность поворота всей лопасти или отдельной ее части,
изменения за счет этого угла атаки и регулирования мощности на валу по
заданному закону. При скорости ветра меньше номинальной лопасть разворачивается
таким образом, чтобы угол атаки был оптимальным и коэффициент использования
ветра максимальным. При скорости ветра больше номинальной разворотом лопасти
добиваются уменьшения коэффициента использования энергии ветра до значения, при
котором мощность на валу соответствует номинальной. На рисунке 7 на примере
ветровой турбины номинальной мощностью 2 МВт показана зависимость мощности и
коэффициента мощности (коэффициента использования энергии ветра) от скорости
ветра.
- идеальный ротор пропеллерного
типа; 2 - двухлопастный скоростной ротор; 3 - ротор Дарье; 4 - ротор Савониуса;
5 - многолопастный ротор
Рисунок 7. Кривые зависимости
коэффициента использования энергии ветра от коэффициента быстроходности
Угол атаки g, определяющий коэффициент
мощности zp зависит от
скорости ветра W и частoты вращения ротора w.
В силу этого, коэффициент мощности удобно выражать с помощью параметра,
учитывающего W и w. Таким
параметром является коэффициент быстроходности
Ветровые турбины различных типов
имеют существенно отличающиеся зависимости коэффициента использования энергии
ветра от коэффициента быстроходности (рисунок 7).
Пример компоновки основных узлов
ветроэнергетической установки с горизонтальной ост вращения показан на рисунке
8.
Недостатками ВЭУ являются
непостоянство вырабатываемой электро-энергии, что создает определенные проблемы
при их работе на сеть и необходимость использования аккумуляторов при работе в
автономном режиме, а также более высока», чем на традиционных электростанциях,
стоимость 1 кВт установленной удельной мощности и меньшее число часов ее
использования.
- лопасть; 2 - система разворота
лопасти; 3- втулка; 4- дисковый тормоз; 5- мульти-пликатор; 6- гидромуфта; 7 -
генератор; 8 - механизм системы поворота; 9 - тормоз системы поворота; 10-
датчик системы поворота
Рисунок 8. Основные узлы
ветроэнергетической
установки
с горизонтальной осью вращения
Однако эти недостатки перекрываются
такими качествами ВЭУ как отсутствие топливной составляющей, неисчерпаемость
первичного источника энергии, низка» стоимость вырабатываемой электроэнергии,
возможность полной автоматизации, исключающей необходимость в обслуживающем
персонале, возможность энергообеспечения автономных объектов, удаленных от
электросетей, модульное исполнение, позволяющее наращивать установленную
мощность по мере необходимости.
7.
Преимущества и недостатки различных систем ветродвигателей. Методика
определения параметров ветроустановок
Ветродвигатели карусельные и барабанные (второго
и третьего классов) отличаются весьма простой схемой работы ветроколеса. У
карусельных ветродвигателей воздушный поток, набегая на ветроколесо, давит на
лопасти с одной стороны оси вращения; с другой же стороны он встречает либо
ширму, прикрывающую лопасти, идущие против ветра, либо ребра лопастей, если они
поворотные, вследствие чего давление потока на них оказывается весьма малым. В
результате получается сила в плоскости вращения, которая создает крутящий
момент ветроколеса. Аналогичное явление имеет место и у барабанных
ветродвигателей. Однако у карусельных положение ветроколеса в потоке ветра
более выгодно: оно всегда находится в рабочем положении, с какой бы стороны ни
дул ветер. У барабанных же ветродвигателей, равно как и у крыльчатых (первый
класс), требуется специальное устройство для установки ветроколеса на ветер при
каждом изменении направления последнего.
Основные недостатки карусельных и барабанных
ветродвигателей определяются самим принципом расположения рабочих поверхностей
ветроколеса в потоке ветра.
. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в
направлении воздушного потока, то ветровая нагрузка действует не одновременно
на все лопасти, а поочередно.
Периодически лопасти затеняют друг друга почти
на половине окружности, и каждая из лопастей только в одном положении
воспринимает полный поток и может развивать максимальную мощность. Кроме того,
когда лопасти прикрыты ширмой или направлены ребром к ветру, они развивают хотя
и малый по величине, но все же отрицательный момент.
Вращающий момент ветроколеса получается равным
разности моментов сил, действующих диаметрально противоположно лопасти. В
результате коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и
при самых благоприятных условиях не превышает величины 0,10, что установлено
экспериментальными исследованиями.
Коэффициент использования энергии ветра
карусельными ветродвигателями можно повысить путем усовершенствования
поверхностей и комбинацией положения их в потоке ветра. Однако при конструктивном
оформлении такой ветродвигатель получается сложнее крыльчатого.
. Движение поверхностей ветроколеса в
направлении ветра не позволяет развивать большую скорость вращения, так как
поверхности не могут двигаться быстрее ветра.
. Размеры используемой части воздушного потока
(ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что
значительно увеличивает его вес, отнесенный к единице установленной мощности
ветродвигателя.
У роторных ветродвигателей ветроколесо также
вращается в горизонтальной плоскости, но протекание потока через ометаемую
поверхность происходит совершенно иначе, чем у карусельного и барабанного
ветродвигателей. В данном случае ветроколесо создает меньший подпор воздушного
потока.
Поток ветра скользит по выпуклой
поверхности и действует полной силой на изогнутую поверхность, огибает ее,
создавая на поверхности дополнительную силу, вращающую ротор. Тех
сопротивлений, которые имели место у карусельных ветродвигателей, в данном
случае нет. Поэтому и коэффициент использования энергии ветра ветродвигателей
системы Савониуса примерно в 2 раза выше, чем у карусельных. Продувками модели
ротора Савониуса в аэродинамической трубе определен наибольший коэффициент
использования энергии ветра = 0,18.
Крыльчатые ветродвигатели в
значительной мере свободны от перечисленных выше недостатков карусельных и
барабанных ветродвигателей, что подтверждается теоретическими расчетами и
практическими данными.
Предлагаемая методика выбора
технических характеристик ветроустановок предусматривает выполнение следующих
пунктов:
а) статистическая обработка
метеоданных о средних скоростях ветра с использованием в качестве исходной
информации данных метеонаблюдений, статистических данных метеорологических
ежемесячников или же экспериментальных данных;
б) расчет значений удельной мощности
ветрового потока;
в) определение времени наблюдения по
градациям скоростей ветра;
г) расчет годовых и месячных
значений удельной энергии ветрового потока;
д) определение расчетного значения
скорости ветроустановки;
е) определение возможной номинальной
мощности, диаметра ветроколеса и высоты башни ВЭУ;
ж) выбор соответственно полученным
результатам ветроустановки по каталогам;
и) расчет возможного годового
производства электрической энергии ветроустановкой в соответствии с ее
номинальными техническими параметрами и энергетическими характеристиками
местного потока.
8. Перспективы
развития ветроэнергетики в Казахстане
Основной 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
отдельных
циркуляции,
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 зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада
на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии
постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока, как показано
на схеме (рисунок 1). Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт
и 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 больших континентов нарушаются сильными
годовыми колебаниями температуры и давления над материками. Высота слоя
пассатов простирается от 1 до 4 км.
Выше над пассатами находится слой
переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в
направлении, противоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов
меняется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места.
В субтропических широтах в поясах
высокого давления зоны пассатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу
от этих областей приблизительно до 70°на всех высотах дуют ветры между западным
и юго-западным румбами в северном полушарии и между западным и северо-западным
- в южном полушарии. В этих широтах, кроме того, в атмосфере непрерывно
возникают и затухают вихревые движения, усложняющие простую схему общей
циркуляции атмосферы, показанную на рисунке 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.
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 на сушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся над сушей
воздух течёт в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берега
опускается вниз.
Рисунок 1. Схема общей циркуляции
земной атмосферы
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 распространения 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
тропических странах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном
поясе только 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, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более
крупного размера, чем бризы, называется муссонами. Возникают муссоны по
следующим причинам. Летом континент 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; над ними
образуется область повышенного давления; вследствие этого нижние слои воздуха
направляются от континента к океанам, а в верхних слоях - наоборот, от океанов
к континентам. Эти ветры называются материковыми муссонами.
Сильные муссоны можно наблюдать на
южном побережье Азии - в Индийском океане и Аравийском море, где летом они
имеют юго-западное направление, а зимой - северо-восточное. У восточных берегов
Азии также наблюдаются муссоны. Зимою дуют суровые северозападные материковые
ветры; летом юго-восточные и южные морские влажные ветры.
Республика Казахстан по своему
географическому положению находится в ветровом поясе северного полушария и на
значительной части территории Казахстана наблюдаются достаточно сильные
воздушные течения, преимущественно Северо-восточного, Юго-западного
направлений. В ряде районов Казахстана среднегодовая скорость ветра составляет
более 6м/с, что делает эти районы привлекательными для развития
ветроэнергетики. В этой связи Казахстан рассматривается как одна из наиболее
подходящих стран мира для использования ветроэнергетики. По экспертным оценкам,
ветроэнергетический потенциал Казахстана оценивается как 1820 млрд. кВтч
электроэнергии в год. Хорошие ветровые районы имеются в центральной части
Казахстана, в Прикаспии, а также в ряде мест на Юге, Юго-Востоке и Юго-Западе
Казахстана (рисунок 1).
Исследования ветроэнергетического
потенциала в ряде мест по территории Казахстана, проведенные в рамках проекта
Программы развития ООН по ветроэнергетике, показывают наличие хорошего
ветрового климата и условий для строительства ВЭС в Южной зоне (Алматинская,
Джамбульская, Южно-Казахстанская области), в Западной зоне (Мангистауская и
Атырауская области), в Северной зоне (Акмолинская область) и Центральной зоне
(Карагандинская область) (таблица 1).
Таблица 1
Перечень исследованных площадок для
строительства ВЭС (по данным метеоисследований ПРООН)
№
п/п
|
Наименование
площадки
|
Область
|
Скорость
ветра на высоте 50 м
|
Предполагаемая
мощность ВЭС, МВт
|
1
|
Джунгарские
ворота
|
Алматинская
обл.
|
9,7
|
50
|
2
|
Шелекский
коридор
|
Алматинская
обл.
|
7,7
|
100
|
3
|
Кордай
|
Жамбыльская
обл.
|
6,1
|
10-20
|
4
|
Жузымдык-Чаян
|
ЮКО
|
6,7
|
10-20
|
5
|
Астана
|
Акмолинская
обл.
|
6,8
|
20
|
6
|
Ерейментау
|
Акмолинская
обл.
|
7,3
|
50
|
7
|
Каркаралинск
|
Карагандинская
обл.
|
6,1
|
10-20
|
8
|
Аркалык
|
Костанайская
обл.
|
6,2
|
10-20
|
9
|
Атырау
|
Атыраусская
обл.
|
6,8
|
100
|
10
|
Форт-Шевченко
|
Мангыстаусская
обл.
|
7,5
|
50
|
Наличие свободного пространства позволяют
развивать мощности ВЭС до тысяч МВт. Исследования распределения
ветроэнергетического потенциала по территории Казахстана должны быть продолжены
с целью определения перспективных площадок для строительства ВЭС. Моделирование
развития электроэнергетического сектора Казахстана с использованием
компьютерных моделей (программа Маркал была представлена для исследований
КазНИИЭК, МООС и УР) показало, что в условиях роста цен на энергоносители,
привлечения инвестиций в модернизацию и обновление генерирующих мощностей,
ветроэнергетика будет востребована на рынке электроэнергии в размере до 300 МВт
к 2015 г. и порядка 2000 МВт к 2024 г. (рисунок 2).
Рисунок 2. Потенциал использования гидро и
ветроэнергетики в Республике Казахстан
Список рекомендуемой литературы
1.Ахмедов
Р.Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - М.: О-во «Знание»,
1988.
.Фатеев
Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. - М.: ОГИЗ-Сельхозгиз,1948.-544 с.