География и другие науки о земле


Энергия ветраСамой ветреной частью Европы по праву считается территория Шотландии. Хотя многие говорят что это Англия, на самом деле это не так. Именно поэтому в Шотландии сосредоточена четверть всех европейских ресурсов ветроэнергетики.

Энергия ветра, являсь производной энергии Солнца, образуется за счет неравномерного нагревания поверхности Земли. Каждый час Земля получает 100 000 000 000 000 кВт·ч энергии Солнца. Около 1-2 % солнечной энергии преобразуется в энергию ветра. Этот показатель в 50-100 раз превышает количество энергии, преобразованной в биомассу всеми растениями Земли.

На протяжении нескольких тысячелетий человечество использует энергию ветра. Ветер надувал паруса кораблей, заставлял работать ветряные мельницы. Кинетическая энергия ветра всегда была и остается доступной практически во всех уголках Земли. Энергия ветра привлекательна и с точки зрения экологии: при ее использовании нет выбросов в атмосферу, нет опасных радиоактивных отходов.

Ветер, как первичный источник энергии, ничего не стоит. К тому же, этот источник энергии может использоваться децентрализовано. Нет необходимости в создании таких инфраструктур как, например, при производстве и передаче электроэнергии, выработанной за счет сжигания нефти или природного газа.

ИСТОРИЯ

Ветер как источник энергии известен человечеству на протяжении уже десятков тысяч лет. Еще на заре цивилизации энергию ветра использовали в мореплавании. Считается, что древние египтяне ходили под парусами еще 5000 лет назад. Около 700 г. н.э. на территории нынешнего Афганистана ветряные машины с вертикальной осью вращения применялись для помола зерна. Известные всем ветряки (крылья ветряной мельницы, прикрепленные к башне) обеспечивали работу ирригационной системы острова Крит, расположенного в Средиземном море. Работающие за счет ветра мельницы для помола зерна являются одним из наиболее крупных технических достижений средних веков. В 14 веке голландцы, усовершенствовав модель ветряных мельниц, распространенных на Ближнем Востоке, начали широко применять ветряки для помола зерна.

 

Водяной насос, работающий за счет энергии ветра, появился в 1854 году в США. Он представлял собой ту же модель ветряной мельницы с большим количеством лопастей и флюгером для определения направления ветра. К 1940 году более 6 миллионов таких ветряков использовались в США в основном для подъема воды и производства электроэнергии. Завоевание "Дикого Запада" было осуществлено, в том числе, и благодаря этим ветрякам, которые снабжали водой животноводческие фермы.
Тем не менее, в середине 20 века наступил конец широкому применению энергии ветра, поскольку на замену ему пришел такой "современный" энергетический ресурс как нефть. И лишь после того, как мир пережил несколько нефтяных кризисов, интерес к ветроэнергетике возобновился. В результате резкого скачка цен на нефть в начале 70-х, энергетические аналитики вновь обратились к использованию энергии ветра. Исследования и эксперименты, проведенные при финансовой поддержке государств и различных фондов, дали новый толчок для развития технологий использования энергии ветра. Усилия были сконцентрированы на использовании ветра в первую очередь для производства электроэнергии, так как для индустриальных стран применение ветровых насосов не является столь важным.

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Естественно, что наибольший ветровой потенциал наблюдается на морских побережьях, на возвышенностях и в горах. Тем не менее, существует еще много других территорий с потенциалом ветра, достаточным для его использования в ветроэнергетике. Как источник энергии, ветер является менее предсказуемым в отличие от, например, Солнца, однако в определенные периоды наличие ветра наблюдается на протяжении целого дня. На ветровые ресурсы влияет рельеф Земли и наличие препятствий, расположенных на высоте до 100 метров. Поэтому ветер в большей степени зависит от местных условий, чем энергия Солнца. В гористой местности, к примеру, два участка могут обладать одинаковым солнечным потенциалом, но вполне возможно, что их ветровой потенциал будет различен, в первую очередь из-за различий в рельефе и направлений ветровых потоков. В связи с этим планирование места под ветряки должно проводиться более тщательно, чем при монтаже солнечной системы. Энергия ветра также подчинена сезонным изменениям погоды: более эффективная работа ветряков зимой и менее - в летние жаркие месяцы (в случае с солнечными системами ситуация противоположная). В климатических условиях Дании фотоэлектрическая система эффективна на 18% в январе и на 100% в июле. Эффективность работы ветростанции в июле - 55%, а в январе - 100%. Оптимальным вариантом является комбинирование в одной системе малой ветрогенератора и солнечной системы. Подобные гибридные системы обеспечивают более высокую производительность электроэнергии по сравнению с отдельно установленными ветровой или фотоэлектрической установками.

Важно также помнить, что количество энергии, произведенной за счет ветра, зависит от плотности воздуха, от площади, охваченной лопастями ветротурбины при вращении, а также от куба скорости ветра.

ПЛОТНОСТЬ ВОЗДУХА

Лопасти ветряка вращаются за счет движения воздушной массы. Чем больше воздушная масса, тем быстрее вращаются лопасти и тем больше электроэнергии вырабатывает ветрогенератор. Мы знаем из курса физики, что кинетическая энергия движущегося тела (например, воздуха) пропорциональна его массе, поэтому энергия ветра зависит от плотности воздуха. Плотность зависит от количества молекул в единице объема. При нормальном атмосферном давлении и при температуре 15oС плотность воздуха составляет 1,225 кг/м3. Однако с увеличением влажности плотность воздуха слегка уменьшается. Из-за того, что зимой воздух более плотный, ветрогенератор будет вырабатывать зимой больше энергии, чем летом, при одинаковой скорости ветра. На территории, расположенной высоко над уровнем моря, например, в горах, атмосферное давление меньше и, соответственно, меньше плотность воздуха.

ПЛОЩАДЬ РОТОРА

Ротор ветротурбины "захватывает" энергию ветрового потока, находящегося возле него. Понятно, что чем больше площадь ротора, тем больше электроэнергии он может выработать. Так как площадь ротора увеличивается пропорционально квадрату диаметра ротора, аетрогенератор вдвое большая по размеру сможет выработать в четыре раза больше энергии. Однако, процесс увеличения площади ротора нельзя свести к простому удлинению лопастей ветряка. С первого взгляда кажется, что это наиболее простой путь увеличения количества "захватываемой" ветряком энергии. Но, увеличивая размер площади, охватываемой лопастями при вращении, мы тем самым увеличиваем нагрузку на систему при той же скорости ветра. Для того, чтобы система выдержала все нагрузки, необходимо усилить все ее механические компоненты. Становится понятно, что подобное решение проблемы требует дополнительных финансовых затрат.

СКОРОСТЬ ВЕТРА

Скорость ветра является наиболее важным фактором, влияющим на количество энергии, которое ветрогенератор может преобразовать в электроэнергию. Большая скорость ветра увеличивает объем проходящих воздушных масс. Поэтому с увеличением скорости ветра возрастает и количество электроэнергии, выработанной ветроэлектроустановкой. Энергия ветра изменяется пропорционально кубу скорости ветра. Таким образом, например, если скорость ветра удваивается, кинетическая энергия, полученная ротором, увеличивается в восемь раз. Приведенная внизу таблица показывает значения энергии ветра в стандартных условиях (сухой воздух, плотность - 1,225 кг/м3, атмосферное давление над уровнем моря 760 мм рт. столба). Формула расчета количества энергии (определяется в Вт/м2) выглядит следующим образом: 0,5*1,225*V3, где V - скорость ветра в м/сек

(согласно Датской ассоциации производителей ветротурбин)

м/с Вт/м2
1 1
3 17
5 77
9 477
11 815
15 2067
18 3572
21 5672
23 7452

Природные ветровые условия постоянно изменяются, меняется также и скорость ветра. Конструкция ветрогенератора рассчитана для работы при скорости ветра в диапазоне 3 - 30 м/сек. Более высокая скорость ветра может разрушить ветряк, поэтому большие ветрогенераторы оснащены тормозами. Малые ветряки могут работать и при скорости ветра меньше, чем 3 м/сек.

Шкала скорости ветра

Шкала скорости ветра:

Скорость ветра, м/сек Тип ветра
0-1,8 Безветрие
1,8-5,8 Слабый
5,8-8,5 Умеренный
8,5-11 Нормальный ветер
11-17 Сильный ветер
17-25 Очень сильный
25-43 Шторм
Более 43 Ураган

НЕРОВНОСТЬ РЕЛЬЕФА

Поверхность Земли с ее растительностью и строениями, находящимися на ней, является основным фактором, влияющим на уменьшение скорости ветра. Это явление описывают как влияние неровности рельефа. С удалением от поверхности Земли уменьшается и влияние неровности рельефа, при этом ламинарные воздушные потоки увеличиваются. Другими словами, чем выше - тем больше скорость ветра. На высоте около 1 км рельеф практически не влияет на скорость ветра. В более низких слоях атмосферы на скорость ветра большое влияние оказывает трение с поверхностью Земли. Для ветроэнергетики это означает, что чем больше неровность рельефа, тем ниже будет скорость ветра. Скорость ветра в значительной степени замедляется из-за лесов и больших городов, в то время как большие водные пространства или, к примеру, территории аэропортов почти не оказывают замедляющего эффекта на ветер. Здания, леса и другие препятствия не только замедляют скорость ветра, но и создают турбулентные потоки.

Как уже было отмечено, меньше всего на скорость ветра влияют водные пространства. Оценивая пригодность данной территории для установки ветряка, т.е. ее ветровой потенциал, специалисты пользуются классификацией неровности рельефа. Более высокий класс неровности рельефа означает большее количество препятствий на поверхности и, соответственно, большее замедляющее влияние на скорость ветра. Поверхность моря определяется как неровность класса 0.

Классификация неровностей поверхности и рельефа:

  • 0 - водная поверхность;
  • 0.5 - полностью открытый рельеф с гладкой поверхностью (взлетные полосы на территории аэродромов, покосы);
  • 1 - открытая сельскохозяйственная местность без заборов, изгородей и низких строений; малые возвышенности;
  • 1.5 - сельскохозяйственные угодья с несколькими зданиями и навесами высотой до 8 м, расположенными друг от друга на расстоянии около 1250 м;
  • 2 - сельскохозяйственные угодья с несколькими зданиями и навесами высотой до 8 м, расположенными друг от друга на расстоянии около 500 м;
  • 2.5 - сельскохозяйственные угодья с большим количеством зданий, с деревьями, кустарниками или навесами высотой до 8 м, расположенными друг от друга на расстоянии около 250 м;
  • 3 - деревни, поселки, сельскохозяйственные земли с большим количеством или с очень высокими изгородями, лесами, а также очень неровный рельеф;
  • 3.5 - города с высокими зданиями;
  • 4 - большие города, мегаполисы с высокими зданиями и небоскребами.

В промышленности также существует такое понятие как сдвиг ветра. Оно описывает процесс уменьшения скорости вихревых потоков по мере их приближения к поверхности земли. Сдвиг ветра также необходимо учитывать во время проектирования ветроустановки. Так, если ветротурбина имеет большой диаметр ротора, но высота ее башни незначительна, то в результате ветер, воздействующий на конец лопасти, находящейся в верхней позиции, будет иметь максимальную скорость, а ветровой поток, воздействующий на конец лопасти, находящейся внизу, будет минимальным, что может привести к разрушению ветряка.