Ветроэнергетика. Происхождение и основные свойства ветра. Перспективы использования энергии ветра и классификация ветроэнергетических установок

Содержание лекции:причины возникновения ветра и его виды, классификация силы ветра по шкале Бофорта и основные характеристики ВЭУ различных классов, перспективы использования энергии ветра, национальная Программа развития ветроэнергетики в РК, классификация ветроустановок и особенности их работы.

Цель лекции:изучение ветра как энергоносителя и перспективы использования ветровой энергии в мире и РК, рассмотрение ветроэнергетических агрегатов различной конструкций и принципов их работы

Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неодно-родна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вы-зывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляций, 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 по-стоянные ветры приходят с северо-востока, в южном – с юго-востока, как показано на схеме рисунок 1.

Рисунок.1- Схема общей циркуляции земной атмосферы

По территориальному принципу можно выделить глобальные и местные ветры.

К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер.

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/с. Эти ветры вблизи боль-ших континентов нарушаются сильными годовыми колебаниями темпе-ратуры и давления над материками. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км. Выше над ними находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, про-тивоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меня-ется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места.

Местные ветры. Особые местные условия рельефа земной по-верхности (моря, горы и т. п.) вызывают местные ветры.

Бризы. Вследствие изменения температур днём и ночью возника-ют береговые морские ветры, которые называются бризами.

Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км – в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах дости-гает от 200 до 300 м.

Муссоны. Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного раз-мера, чем бризы, называется муссонами.

В характеристике ветра входят числовая величина скоростии направление, откуда дует ветер

Скорость ветра выражается в м/с, км/ч, узлах и условных единицах (баллах). Для обозначения направления указывают румб – направление относительно сторон света, либо угол, который образует горизонтальный вектор скорости с меридианом. Север принимается за 360° или 0°, восток за 90°, юг – за 180°, запад за 270°. В Метеорологии принято разделять окружность горизонта на 16 румбов, 1 румб соответствует 22,5° (рисунок 2). Главными называют направления на север (С), юг (Ю), запад (З), восток (В). Названия 12 других Румбов являются комбинациями названий главных румбов, например, северо-восток (СВ); северо-северо-восток (ССВ), юго-юго-запад (ЮЮЗ).

Рисунок 2 - 1 – 16 румбов

В табл. 1 представлены классификации силы ветра по шка-ле Бофорта и основные характеристики ВЭУ различных классов

Таблица 1 - Сила ветра по шкале Бофорта и ее влияние на ветроустановки и условия их работы

Окончание табл. 1

Ветер со скоростью порядка 5 – 8 м/с считается умеренным, выше 14 м/с – сильным; выше 20 – 25 м/с – штормовым, а выше 30 – 35 м/с – ураганом. При порывах и сильных шквалах скорость ветра у поверхности земли может превышать 50 м/с, а в отдельных случаях достигать 100 м/с и более.

Сильные колебания режима ветра, обусловленные турбулентностью, отмечается особо как порывистость или шквальность.

Порывистость ветра – наличие в воздушном потоке значительных колебаний по скорости и направлению с временными интервалами в несколько десятков секунд. Она ярко выражена в холодных воздушных массах с неустойчивым распределением температуры в атмосфере по высоте. Она увеличивается также при прохождении фронтов атмосферы, особенно холодных.

Шквальность – резкое усиление и ослабление ветра в течение короткого времени, сопровождающегося также изменениями его направления, продолжительностью несколько минут или десятков минут

Перспективыиспользованияэнергииветра

Использование энергии воздушных потоков - древнейшая мечта человечества – то обретает реальность в виде паруса и ветряных мельниц для получения механической энергии, то замирает при изобретении тепловых и гидравлических двигателей и централизованной выработки электроэнергии на мощных электростанциях, затем возникает вновь, когда тепловая энергетика стала угрожать всему живому.

Энергия ветра в механических установках, например на мельницах и в водяных насосах, используется уже несколько столетий.

Для выработки электроэнергии ветер используется с 10 – 20 годов ХХ века. С 70 – х годов прошлого столетия ветроэнергетика начала расти, к ХХI столетию приобрела заметное развитие и продолжает интенсивно развиваться.

Интерес к развитию ветроэнергетики объясняется следующими факторами:

- неисчерпаемый ресурс энергии, не зависящий от цен на топливо;

- отсутствие выбросов вредных веществ и парниковых газов;

- развитый мировой рынок ветроэнергетических установок;

- конкурентная стоимость электроэнергии, не зависящая о стоимости топлива;

- короткие сроки строительства ВЭС с адаптацией мощности ВЭС к требуемой нагрузке и местным климатическим условиям;

- возможность децентрализованного обеспечения электроэнергией потребителей отдаленных районов.

Высокие темпы развития ветроэнергетики характерны для Герма-нии 1990-х годов. Особого внимания заслуживает опыт фирмы «Enercon», которая освоила гамму ВЭУ мощностью 30, 130, 600, 1500 кВт в одном агрегате, выполненных с трехлопастными стеклопла-стиковыми ветроколесами, имеющими диаметр от 12 до 66 м.

В настоящее время промышленным производством ВЭУ в мире занимается более 300 фирм. Развитую промышленность имеют Дания, США, Германия, США

Установленная мощность ветроэнергетики в мире в 2009г достигла 159'213 МВт, на конец 2009 года мировая ветроэнергетика вырабатывала 340 ТВтч электроэнергии, что соответствует 2 % от глобального электропотребления.

Доля ветроэнергетики в электроснабжении составляет: в Дании - 20%; в Португалии- 15%; в Испании -14%; в Германии - 9%.

Ветроэнергетика выступает как источник энергии, помогающий странам решать вопросы энергетической безопасности и экологии.

В Казахстане разработана Национальная Программа развития ветроэнергетики,основанием для разработки которойявляются:

- Постановление Правительства № 857 от 25 августа 2003г «О развитии ветроэнергетики».

- Проектный Документ совместного проекта Правительства Казахстана и Программы развития ООН «Казахстан - инициатива развития рынка ветроэнергетики»,

- необходимость выполнения международных обязательств Республики Казахстан по Рамочной Конвенции ООН по изменению климата Законов РК «О Энергосбережении», «Об электроэнергетике», закона РК «О поддержке использования возобновляемых источников энергии», Государственной Программы развития электроэнергетики до 2030г, Программы развития единой электроэнергетической системы РК на период до 2010 и на перспективу до 2015г, Стратегии индустриально- инновационного развития Казахстана до 2015г.

Основной целью Национальной Программы является – использование значительного ветрового потенциала Казахстана в производстве электроэнергии для обеспечения устойчивого социального и экономического развития страны на основе снижения энергоемкости экономики, сохранения окружающей среды и не возобновляемых запасов органического топлива.

Порядка 10% территории Казахстана имеет среднегодовую скорость ветра 6м/с и выше, что предопределяет хорошие перспективы для развития ветроэнергетики.

Ветровой потенциал энергии Казахстана составляет около 1820 млрд. кВтч в год и распространен на значительной территории страны.

Первоочередными для строительства ВЭС могут рассматриваться площадки в Джунгарских воротах и Шелекском Коридоре, расположенные в энергодефицитной Алматинской области.