Ветроэнергетика. Общие понятия.

2 слайд

Чтобы разобраться в сути ветроэнергетики, необходимо понять сам смысл ветра, т.е. что такое ветер вообще!? И как из него можно получать энергию!

По определению своему:

Ветер – это поток воздуха, который движется около земной поверхности.

Ветер возникает в результате неравномерного распределения атмосферного давления, он направлен от зоны высокого давления к зоне низкого давления. Вследствие непрерывного изменения давления во времени и пространстве скорость и направление ветра также постоянно меняются. С высотой скорость ветра изменяется ввиду убывания силы трения.

На планете, которая вращается, к этому прибавляется сила Кориолиса. Таким образом, главными факторами, которые образуют циркуляцию атмосферы в глобальном масштабе, является разница в нагреве воздуха между экваториальными и полярными районами и сила Кориолиса.

Полярная ячейка, или полярный вихрь, — элемент циркуляции земной атмосферы в приполярных районах Земли, имеет вид приповерхностного вихря, который закручивается на запад, выходя из полюсов; и высотного вихря, закручивающегося к востоку.

Циркуляция воздуха ограничена тропосферой, то есть слоем от поверхности до высоты около 8 км. Тёплый воздух поднимается на низких широтах и движется к полюсам в верхних слоях тропосферы. Достигая полюсов, воздух охлаждается и опускается, образуя зону высокого давления — полярный антициклон.

Ячейка Феррела (Ферреля) — элемент циркуляции земной атмосферы в умеренном поясе. Ячейка Феррела считается второстепенным циркуляционным элементом и полностью зависит от ячейки Хадли и полярной ячейки.

Фактически, ячейка Феррела действует как подшипник качения между ячейкой Хадли и полярной ячейкой, поэтому её иногда называют зоной перемешивания. На приполярной границе, ячейка Феррела может перекрываться с полярной ячейкой, а на экваториальной — с ячейкой Хадли.

Ячейка Хэ́дли, или ячейка Гадлея — это элемент циркуляции земной атмосферы, наблюдаемый в тропических широтах. Он характеризуется восходящим движением у экватора, направленными к полюсам потоками на высоте 10-15 км, нисходящими движением в субтропиках и потоками по направлению к экватору у поверхности. Эта циркуляция непосредственно связана с такими явлениями как пассаты, субтропические пустыни и субтропические высотные струйные течения, определяет погоду и климат в тропиках.

Внутритропическая зона конвергенции — полоса вдоль экватора между пассатами Северного и Южного полушарий. Ширина — несколько сот километров. Большую часть года находится к северу от экватора

3 слайд

Пасса́т (от исп. viento de pasada «ветер, благоприятствующий переезду, передвижению») — ветер, дующий между тропиками круглый год, в Северном полушарии с северо-востока, в Южном — с юго-восточного направления. Пассаты Северного и Южного полушарий отделены друг от друга внутритропической зоной конвергенции пассатов. На океанах пассаты дуют с наибольшей правильностью; на материках и на прилегающих к последним морях направление их отчасти видоизменяется под влиянием местных условий. В Индийском океане вследствие конфигурации береговой линии материка пассаты совершенно меняют свой характер и превращаются в муссоны.

Благодаря своему постоянству и силе в эпоху парусного флота пассаты наряду с западными ветрами были основным фактором для построения маршрутов движения судов в сообщении между Европой и Новым Светом.

Муссо́ны (от араб. موسم‎, mawsim, — время года, посредством фр. mousson)^[1] — устойчивые ветры, возникающие на границе материка и океана, периодически меняющие своё направление (летом дуют с океана, зимой — с материка). Свойственны тропическим областям и некоторым приморским местностям умеренного пояса (Дальний Восток). Муссонный климат характеризуется повышенной влажностью в летний период.

4 слайд

Си́ла Кориоли́са — одна из сил инерции, использующаяся при рассмотрении движения материальной точки относительно вращающейся системы отсчёта.

Часто под термином «эффект Кориолиса» подразумевается наиболее важный случай проявления силы Кориолиса — который возникает в связи с суточным вращением Земли. Так как угловая скорость вращения Земли мала (1 оборот в день), эта сила, как правило, мала по сравнению с другими силами. Эффекты обычно становятся заметными только для движений, происходящих на больших расстояниях при длительных периодах времени, таких как крупномасштабное движение воздуха атмосферы (вихреобразные циклоны) или воды в океане (Гольфстрим). Такие движения, как правило, происходят вдоль поверхности Земли, поэтому для них часто важна только горизонтальная составляющая силы Кориолиса. Она заставляет движущиеся вдоль поверхности Земли объекты отклоняться вправо (по отношению к направлению движения) в северном полушарии и влево в южном. Эффект горизонтального отклонения сильнее близ полюсов, так как эффективная скорость вращения вокруг локальной вертикальной оси значительнее там и уменьшается до нуля у экватора.

Для иллюстрации того, как действует сила Кориолиса, часто приводят пример с человеком, который передвигается к центру вращающейся карусели, держась за поручень. При этом его будет «сносить вбок» в направлении, противоположном направлению вращения.

Сила Кориолиса, вызванная вращением Земли, может быть замечена при наблюдении за движением маятника Фуко. 

Цикло́н (от др.-греч. κυκλῶν — «вращающийся») — воздушная масса в виде атмосферного вихря с вертикальной осью огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в его центре.

Воздух в циклонах циркулирует против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном.

Антицикло́н — область повышенного атмосферного давления с замкнутыми концентрическими изобарами на уровне моря и с соответствующим распределением ветра. В отличие от циклона ветер в Северном полушарии циркулирует по направлению движения часовой стрелки, а в Южном полушарии — в обратную сторону.

Антициклон и циклон — противоположные состояния воздушной атмосферы на планете Земля. Оба явления зависят от давления атмосферы, соответственно, циклон является областью пониженного давления, а антициклон — областью повышенного давления. По своей природе они являются огромными вихрями, которые могут доходить от сотен до нескольких тысяч километров.

Запомнить, какой термин обозначает плохую, а какой — хорошую погоду достаточно просто. Циклон — это атмосферный вихрь, который приносит сильные порывы ветра, дожди и грозы. Антициклон — полная противоположность циклону. Антициклон приносит тихую и спокойную погоду, без ветра, осадков, с чистым небом и редкими облаками.

5 слайд

Местные ветры — ветры, отличающиеся какими-либо особенностями от главного характера общей циркуляции атмосферы, но, как и постоянные ветры, закономерно повторяющиеся и оказывающие заметное влияние на режим погоды в ограниченной части ландшафта или акватории.

Возникновение местных ветров связано главным образом с разностью температурных условий над крупными водоемами (бризы) или горами, их простиранием относительно общих циркуляционных потоков и расположением горных долин (фен, бора, горно-долинные), а также с изменением общей циркуляции атмосферы местными условиями (самум, сирокко, хамсин). Некоторые из них по существу являются воздушными течениями общей циркуляции атмосферы, но в определённом районе они обладают особыми свойствами, и потому их относят к местным ветрам и дают им собственные названия.

Например, только на Байкале вследствие разницы прогревания воды и суши и сложного расположения крутосклонных хребтов с глубокими долинами различают не менее 5 местных ветров: баргузин — теплый северо-восточный, горный — северо-западный ветер, вызывающий мощные штормы, сарма — внезапный западный ветер, достигающий ураганной силы до 80 м/с, долинные — юго-западный култук и юго-восточный шелоник.

6 слайд – 10 слайд

Баллы Бофорта	Словесное определение силы ветра	Средняя скорость ветра, м/с	Средняя скорость ветра, км/ч	Средняя скорость ветра, узлов	Действие ветра
					на суше	на море
0	Штиль	0—0,2		0—1	Безветрие. Дым поднимается вертикально, листья деревьев неподвижны	Зеркально гладкое море
1	Тихий	0,3—1,5	2—5	1—3	Направление ветра заметно по относу дыма, но не по флюгеру	Рябь, пены на гребнях волн нет. Высота волн до 0,1 м
2	Лёгкий	1,6—3,3	6—11	4—6	Движение ветра ощущается лицом, шелестят листья, приводится в движение флюгер	Короткие волны максимальной высотой до 0,3 м, гребни не опрокидываются и кажутся стекловидными
3	Слабый	3,4—5,4	12—19	7—10	Листья и тонкие ветви деревьев всё время колышутся, ветер развевает лёгкие флаги	Короткие, хорошо выраженные волны. Гребни, опрокидываясь, образуют стекловидную пену. Изредка образуются маленькие барашки. Средняя высота волн 0,6 м, максимальная около 0,9 м.
4	Умеренный	5,5—7,9	20—28	11—16	Ветер поднимает пыль и мусор, приводит в движение тонкие ветви деревьев	Волны удлинённые, барашки видны во многих местах. Максимальная высота волн до 1,5 м
5	Свежий	8,0—10,7	29—38	17—21	Качаются тонкие стволы деревьев, движение ветра ощущается рукой	Хорошо развитые в длину, но не крупные волны, максимальная высота волн 2,5 м, средняя — 2 м. Повсюду видны белые барашки (в отдельных случаях образуются брызги)
6	Сильный	10,8—13,8	39—48	22—27	Качаются толстые сучья деревьев, гудят телеграфные провода	Начинают образовываться крупные волны. Белые пенистые гребни занимают значительные площади, вероятны брызги. Максимальная высота волн — до 4 м, средняя — 3 м
7	Крепкий	13,9—17,1	50—61	28—33	Качаются стволы деревьев	Волны громоздятся, гребни волн срываются, пена ложится полосами по ветру. Максимальная высота волн до 5,5 м
8	Очень крепкий	17,2—20,7	62—74	34—40	Ветер ломает сучья деревьев, идти против ветра очень трудно	Умеренно высокие длинные волны. По краям гребней начинают взлетать брызги. Полосы пены ложатся рядами по направлению ветра. Максимальная высота волн до 7,5 м, средняя — 5,5 м
9	Шторм	20,8—24,4	75—88	41—47	Небольшие повреждения, ветер начинает разрушать крыши зданий	Высокие волны (максимальная высота — 10 м, средняя — 7 м). Пена широкими плотными полосами ложится по ветру. Гребни волн начинают опрокидываться и рассыпаться в брызги, которые ухудшают видимость
10	Сильный шторм	24,5—28,4	89—102	48—55	Значительные разрушения строений, ветер вырывает деревья с корнем	Очень высокие волны (максимальная высота — 12,5 м, средняя — 9 м) с длинными загибающимися вниз гребнями. Образующаяся пена выдувается ветром большими хлопьями в виде густых белых полос. Поверхность моря белая от пены. Сильный грохот волн подобен ударам
11	Жестокий шторм	28,5—32,6	103—117	56—63	Большие разрушения на значительном пространстве. Наблюдается очень редко.	Видимость плохая. Исключительно высокие волны (максимальная высота — до 16 м, средняя — 11,5 м). Суда небольшого и среднего размера временами скрываются из вида. Море всё покрыто длинными белыми хлопьями пены, располагающимися по ветру. Края волн повсюду сдуваются в пену
12	Ураган	33 и более	118 и более	64 и более	Огромные разрушения, серьезно повреждены здания, строения и дома, деревья вырваны с корнями, растительность уничтожена. Случай крайне редкий.	Исключительно плохая видимость. Воздух наполнен пеной и брызгами. Всё море покрыто полосами пены

11 слайд

Основные виды ветрогенераторов:

Модели ветрогенераторов бывают разной конструкции, различаются по мощности. По геометрии вращения оси основного ротора их делят на:

Вертикальный тип — турбина расположена вертикально по отношению к плоскости земли. Начинает работать при небольшом ветре.

Горизонтальный тип — ось ротора вращается параллельно земной поверхности. Имеет большую мощность преобразования энергии ветра в переменный и постоянный ток.

12 слайд

Разберем эти типы более подробно, так как в каждом из них есть разработки и усовершенствования.

Разновидности вертикальных генераторов (карусельный тип)

Вертикальные преобразователи силы ветра в энергию часто используются для бытовых нужд. Эти виды ветрогенераторов просты в обслуживании. Основные узлы, которые требуют внимания, находятся в нижней части установок и свободны для доступа.

1. Генераторы с ротором Савоуниса

Состоят из двух цилиндров. Постоянное осевое вращение и поток ветра не находятся в зависимости друг от друга. Даже при резких порывах он крутится с заданной изначально скоростью.

Отсутствие влияния ветра на скорость вращения, бесспорно, − его хорошее преимущество. Плохо то, что он использует силу стихии не на всю ее мощь, а только на треть. Устройство лопастей в виде полуцилиндров позволяют работать лишь в четверть оборота.

2. Генераторы с ротором Дарье

Имеют две или три лопасти. Легко монтируются. Конструкция простая и понятная. Начинают работать от запуска вручную.

Минус – турбины не отличаются мощной работой. Сильная вибрация становится причиной сильного шума. Этому способствует большое количество лопастей.

3. Геликоидный ротор

Вращение ветрогенератора происходит равномерно благодаря закрученным лопастям. Подшипники не подвержены быстрому износу, что значительно продляет срок эксплуатации.

Монтаж установки требует времени и сопряжен с трудностями сборки. Сложная технология изготовления отразилась на высокой цене.

13 слайд

4. Многолопастный ротор

Вертикально – осевая конструкция с большим количеством лопастей делает его чувствительным даже к очень слабому ветру. Эффективность таких ветрогенераторов очень высокая.

то мощный преобразователь. Энергия ветра используется максимально. Стоит он дорого. Недостаток – высокий звуковой фон. Может давать большой объем электротока.

5. Ортогональный ротор

Начинает вырабатывать энергию при скорости ветра в 0,7 м/сек. Состоит из вертикальной оси и лопастей. Не производит много шума, отличается красивым необычным дизайном. Срок службы несколько лет.

Лопасти с большим весом делает его громоздким, что усложняет монтажные работы.

Положительные стороны вертикальных ветрогенераторов:

1. Использование генераторов возможно даже при слабом ветре.

2. Не настраиваются на ветровые потоки, так как не зависят от его направления.

3. Устанавливаются на короткой мачте, что позволяет производить обслуживание систем на земле.

4. Шум в пределах 30 дБ.

5. Разнообразный, приятный внешний вид.

Основной изъян – используют силу и энергию ветра не полностью из-за невысокой вращательной скорости ротора.

Горизонтальные ветрогенераторы (крыльчатые)

Разные модификации горизонтальных установок имеют от одной до трех лопастей и более. Поэтому коэффициент полезного действия намного выше, чем у вертикальных.

Недостатки ветрогенераторов − в необходимости ориентировать их на направление ветра. Постоянное перемещение снижает скорость вращения, что понижает его производительность.

1. Однолопастные и двухлопастные. Отличаются высокими двигательными оборотами. Масса и габариты установки небольшие, что облегчает установку.

2. Трехлопастные. Пользуются спросом на рынке. Могут вырабатывать энергию до 7 мВт.

3. Многолопастные установки имеют до 50 лопастей. Отличаются большой инерцией. Преимущества крутящего момента используют в работе водяных насосов.

На современном рынке появляются ветрогенераторы с отличными от классических конструкциями, например, встречаются гибридные.