Имеется много факторов, которые необходимо учитывать для получения характерных оценок энергии ветра и ее географического распределения. Один из важных факторов, который должен учитываться, — это надежность данных по скоростям ветра: насколько хорошо установлена выдержка анемометра, какова точность измерений и каков метод регистрации данных? Для целей авиационной навигации ошибка, равная 1 м/с, не имеет большого значения. Однако разница в оценке энергии ветра при Vr— = 4,4-5,6 м/с составляет 100 %. Таким образом, незначительные изменения в скорости ветра вследствие неодинакового интервала осреднения или разной точности прибора могут привести к значительным ошибкам в оценке энергии ветра.
Рис. 1. Уменьшение энергии ветра Wв зависимости от высоты над: уровнем моря Л, обусловленное изменением плотности атмосферы (отношение плотностей подсчитано при стандартной плотности на уровне моря до =1,225 кг/м3)\
1 — типичные скалистые горные вершины; 2 — Айдахо-Фолс; 3 — Амарилло; 4 — Шайенн; 5 — Денвер; 6 — Грейт-Фолс; 7 — Додж-Сити; 8 — Бисмарк.
К основным факторам, влияющим на точность оценки энергии-ветра, относятся: изменение плотности атмосферы в зависимости от высоты и температуры, высота измерения ветра над уровнем моря, характер подстилающей поверхности и местных возвышенностей, соответствие имеющихся данных по ветру, местоположение ветродвигателя, принятый закон изменения энергии ветра по высоте, число классов скорости ветра, методика оценки энергии ветра над гористыми районами и прибрежными водами, методика использования данных измерений радиозондами и методы интерполяции и анализа, используемые для получения карт-схем ветроэнергетических ресурсов.
Последний фактор при неправильном его использовании может привести к крупным искажениям в оценках географического распределения энергии ветра. Некоторые из этих факторов, например такой, как интервалы осреднения прибора, точно не известны, их нельзя учитывать при оценке энергии ветра, так как они могут быть источником ошибок. Наиболее важные общие факторы рассматриваются ниже.
Плотность атмосферы.
Энергия ветра прямо пропорциональна плотности атмосферы, которая уменьшается в зависимости от высоты и температуры. Плотность на уровне моря по стандартной атмосфере США равна 1,225 кг/м3. На рис. 2.1 показана зависимость между высотой, плотностью и процентным уменьшением энергии ветра. При использовании в расчетах для многих мест Великих равнин и высот на западе страны значений плотности на уровне моря энергия ветра может быть завышена (например, на 17 % в Шайенн, штат Вайоминг).
На рис. 2. показано влияние на энергию ветра изменений температуры по данным фирмы Lockheed. Они основаны на обработке данных семи станций, расположенных на значительном расстоянии одна от другой в пограничных зонах США, и показывают, что среднемесячная плотность атмосферы отличается: от стандартной плотности на высоте обычно менее чем на 5 % и редко — более чем на 10 %.
Рис. 2. Изменение энергии ветра W и плотности атмосферы р в зависимости от температуры t(относительная плотность р/ро подсчитана по Данным стандартной атмосферы США на уровне моря: Т=15 °С и Ро= 1,225 кг/м3).
Пренебрегая сезонными изменениями температуры, получаем, что летом энергия ветра расчетами несколько завышается, а зимой занижается. Следовательно, среднегодовая энергия ветра занижается в тех районах, где более ветреные периоды приходятся: на холодные месяцы.
Высота расположения анемометра
Высота расположения анемометра на станциях метеослужбы NWS значительно изменяется в течение года. Типовая высота датчика ветра над поверхностью земли на различных станциях изменяется от 4 до 60 м. Тем не менее высоту 10 м часто принимают в качестве стандартной высоты расположения анемометра. Многие анемометры расположены вблизи аэропортов или зданий. В городах и на проспектах анемометры располагают на зданиях для получения лучших условий для действия ветра. Однако сами здания представляют собой препятствия для ветрового потока в месте, где помещен анемометр, зависящие от высоты расположения анемометра относительно крыши здания и формы здания, Таким образом, показания анемометра нельзя рассматривать независимо от потока воздуха для определения правильно оцениваемых характеристик.
На большинстве станций высота расположения анемометра и его местоположение изменяются за период времени, в течение которого обобщаются данные по скорости ветра или имеются частотные распределения. Значение энергии ветра резко изменяется при изменении высоты анемометра и в типичных случаях увеличивается на 30—60 % при изменении высоты от 10 до 20 м. Таким образом, помимо всех остальных факторов временные и пространственные изменения высоты расположения анемометра значительно затрудняют получение характерных оценок по обобщенным распределениям скорости ветра.
Начиная с конца 50-х и в течение 60-х годов NWS повторно расположило анемометры примерно на высоте 6 м от поверхности земли. В 1965 г. такое размещение было выполнено на большинстве станций.
Изменение высоты расположения анемометра на большинстве станций метеослужбы NWS в США включено в местные климатологические данные справочника «Local Climatological Data», опубликованные NCC. В сообщении приводятся значения высоты расположения анемометров для 478 станций, используемых лабораторией Sandia, и представлены таблицы энергии ветра для этих станций. Однако высота расположения анемометра изменяется за период наблюдений или же неизвестна для многих станций и поэтому принимается для этих станций равной 10 м. Если действительная высота больше 10 м (например, от 15 до 20 м), то такое допущение может привести к значительному превышению энергии ветра на уровне 10 м и, следовательно, для всех других уровней.
Влияние микрорельефа местности.
Менее 20 % площади США может рассматриваться как плоская территория с местным изменением высоты, не превышающим 30 м. Площади, по которым определяется местное изменение рельефа местности, образуют квадрат со стороной 9,6 км. Таким образом, большинство равнинных территорий США могут быть классифицированы как изменяющиеся от слегка холмистых и вплоть до возвышенных местностей с местными изменениями высоты, большими чем 30 м.
Очень незначительные перепады высоты могут вызвать значительные изменения в энергии ветра. В районах с умеренно холмистыми территориями (определяемыми как имеющие местные изменения высоты от 30 до 100 м) многие метеостанции, производящие измерения ветра, расположены в низменных местах. Такой рельеф местности не характерен для возвышенностей, наиболее подходящих для установки ветродвигателей. При средней скорости ветра от 3 до 7 м/с увеличение ее на 1 м/с может дать возрастание располагаемой энергии ветра от 50 до 100 %.
Иллюстрацией этого может быть г. Рочестер, расположенный в холмистой местности на юго-востоке штате Миннесота. Рочестерская станция NWS, расположенная на гребне горы, возвышается на 100 м над городом и находится ниже окружающих возвышенностей. Среднегодовая скорость ветра здесь 5,7 м/с, что на 1—2 м/с больше, чем на других станциях NWS в радиусе 250 км. Соответственно энергия ветра в Рочестере больше, чем на окружающих станциях, на 50—100%- Таким образом, оказывается, что Рочестер — это единственная станция метеослужбы NWS в этом районе с энергией ветра, типичной для площадей, характерных для вероятных мест установки ветродвигателей.
Поэтому при оценке соответствия станций вероятному месту размещения ВЭУ необходимо учитывать высоту расположения станции относительно окружающих возвышенностей на местности. Анализ основывается только на среднем для всех станций значении высоты, при котором площадь отражает влияние относительного возвышения для большинства станций.
В- другом методе оценки энергии ветра по средней высоте рассматриваемой площади для районов с возвышенностями или холмистой местностью используются данные радиозондирования измерений на малых высотах и экстраполяция значений для характерных местных высот. Однако он ограничен, как это уже отмечалось ранее, вследствие использования для оценки энергии-ветра данных радиозондирования.
Вертикальная экстраполяция ветра.
В околоземном пограничном слое имеется много факторов, влияющих на изменение скорости ветра в зависимости от высоты слоя относительно поверхности земли. К ним относятся шероховатость поверхности, устойчивость атмосферы и значение скорости ветра. Для экстраполяции-изменения скорости ветра на различных высотах часто используют две зависимости. Одна из них — логарифмический профиль скорости. Логарифмический профиль. Соответствует условиям нейтральной устойчивости атмосферы и. большим скоростям ветра.
Вторая зависимость — степенной закон для профиля скорости:
где а — безразмерный показатель степени, значение которого зависит от скорости ветра, устойчивости атмосферы и шероховатости: поверхности. Так как энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости, то показатель степени для энергии ветра будет равен 3а.
Степенной закон может применяться также для осреднений энергии ветра. В [2.1] показано, что значение а =1/7 в этом случае достаточно обосновано. На основании исследования данных, полученных на башнях в четырех различных местностях США, принимается среднее значение а = 0,23±0,03. Исследования, показали, что изменение скорости ветра в зависимости от высоты будет функцией Vrи высоты, на которой проведены измерения, а зависимости, используемые для оценки а, — функцией скорости ветра и высоты расположения анемометра. По существу, эти зависимости исходят из того, что значение а уменьшается с увеличением средней скорости ветра, т. е. увеличение скорости ветра с :высотой не будет значительным при больших скоростях :ветра.
Ни одно из ранее упоминавшихся значений а не дает хорошей аппроксимации данных для всех местоположений башни: например, данные телебашни в Филадельфии дают а = 0,34. Изменение экстремальных значений скорости ветра у поверхности земли для различных метеостанций, даже расположенных в однородных районах, таких, как западные штаты США и Великие равнины, «объясняет большую часть изменений средних значений а, следовательно, трудно обосновать использование одного значения а по «равнению с другим для пересчета скорости ветра по национальной шкале. Кроме того, значение а для места, соответствующего вероятному местоположению ветродвигателя, может значительно отличаться от оцениваемого но имеющимся данным измерений на башнях. Однако некоторые допущения относительно вертикального градиента скорости (и энергии) ветра должны быть сделаны .для определения энергии ветра на высоте установки оси ветроколеса.
Список высоких башен, оснащенных приборами, включает многочисленные данные, полученные на башнях, а также данные и по имеющимся в стране атомным электростанциям и электростанциям, работающим на твердом топливе. Сообщение об обобщенных данных по параметрам ветра, полученных на башнях атомных станций в США. Этот источник данных может быть использован для более подробного учета влияния на вертикальный градиент скорости ветра характеристик местности, климатологических данных и шероховатости поверхности.
Гористые районы. При рассмотрении результатов немногих имеющихся исследований и сводных данных для ветров на горных вершинах зависимость между скоростями ветра в атмосфере и торных районах будет, вероятно, весьма непостоянна и сложна. На некоторых горных вершинах скорость ветра может быть больше, чем в атмосфере, в то время как на других она может быть меньше на 30 %.
Оценка записи скорости ветра на шести горных вершинах высотой от 800 до 3000 м, расположенных в Европе.
Значения скоростей для отдельных вершин отличаются от значений скорости свободного ветра менее чем на 30 %. Так как окружающая местность создает значительный эффект трения, то 80 % или более вершин находится под действием струйных течений. На рис. 2.3 приведена зависимость средней скорости ветра, измеренной у горных вершин, от скорости свободного ветрового потока на той же высоте в данном районе.
Рис. 3. Зависимость скорости ветра Vm, измеренной у горных вершин, от скорости свободного ветрового потока Vfна той же высоте в данном районе (по данным частотных распределений, полученных с помощью радиозондных измерений для различных соотношений Vf— от 10 до 90%) [18]: 1-Vm-Vy. II-Vm=0,5Vf.
Зависимость показывает, что скорость ветра у вершин обычно меньше, чем скорость свободного ветрового потока на высоте, равной высоте вершины (кроме малых скоростей ветра). В 25 %; случаев скорость ветра у вершин вдвое меньше скорости свободного ветрового потока. Таким образом, оказывается, что в среднем скорость ветра у вершин составляет от 60 до 70 % скорости свободного ветрового потока при значениях ее, больших 8 м/с. Однако анализ показывает также, что соотношения между скоростью у вершин и свободного ветрового потока на высоте вершин с достаточным основанием можно считать не зависящими от значений высоты, если на сравнительно малых пиках имеют иногда место большие средние скорости ветра, чем на более высоких пиках.
Исследовалась зависимость скорости свободного ветрового потока также и у вершин. Результаты исследований для трех горных вершин высотой от 2000 до 3000 м показывают, что в отличие от самой гористой местности ветер у изолированной горной вершины не будет турбулентным или порывистым. Измерения скорости ветра в нескольких гористых местностях США также дают сложную зависимость между скоростью свободного ветрового потока и ветра у вершины.
Таким образом, оказывается, что располагаемая энергия ветра у вершины горы зависит как от формы и взаимного расположения высот окружающей местности, так и от высоты гор. На западе Многие расположенные ниже изолированные вершины могут иметь более или менее заметный уровень энергии ветра при более высокой горной зоне. Известно, что сильные ветры часто бывают в горных проходах или в глубоких ущельях. Для исследования влияния геометрии различных склонов и распределения по высоте слоев атмосферы при течениях над вершинами было проведено изучение на моделях в аэродинамической трубе.
Прибрежные районы и зона прибрежных вод.
В прибрежном: районе средняя скорость ветра в типичном случае больше над океаном, чем над сушей, прежде всего вследствие большего» поверхностного трения над сушей. В зоне прибрежных вод и на открытых местах побережий, подобных мысу и морской косе энергия ветра может быть в два или большее число раз больше, чем при расчете ее по данным прибрежных башен. Измерение ветра на большинстве прибрежных башен проводилось на большем удалении от моря (0,5 км и более) или вдоль укрытых площадей (в бухтах и заливах). Они были характерны для скоростей ветра в прибрежных ветровых районах и зоне прибрежных вод. Это уменьшение скорости ветра при удалении от берега моря значительно больше вдоль прибрежного района на пересеченной1 местности (например, территория штата Мэн и побережье Тихого океана).
При рассмотрении прибрежных районов важное значение имеет преобладающее направление ветра: в сторону моря или суши. Места, где ветер направлен в сторону моря, обычно более ветреные, чем те, где ветер направлен в сторону суши. Например, на восточном побережье озера Гранд-Лейк энергия ветра больше, чем на западном, благодаря тому, что ветер в основном дует в западном направлении.
Сравнительные ветровые данные для прибрежных районов в США очень ограничены. Для получения распределений средних скоростей ветра над прибрежными водами используют наблюдения на судах, так как они более пригодны для прибрежных мест, чем данные, полученные на береговых башнях. Поэтому наблюдения на судах осредняют по большой площади прибрежных вод шириной до 100 км. Однако данные, полученные на судах, должны быть использованы с осторожностью вследствие того, что точно не известны высота измерения ветра, расположение мест измерения на поверхности, точность и периодичность измерений.
