Распределение скоростей ветра
Имеющиеся в настоящее время карты-схемы распределения средней энергии ветра над территорией США дают лишь весьма грубую ее оценку. Многие данные основаны главным образом на измерениях, проведенных у поверхности земли вблизи аэропортов. Однако местоположение их выбиралось большей частью так, чтобы избежать мест, где локальные топографические условия благоприятствуют большим скоростям ветра. Другие карты-схемы получены путем приведения данных измерений ветра на больших высотах к стандартной высоте над поверхностью земли (рис. 1.). На заштрихованных площадях среднегодовая скорость ветра на высоте 44 м равна или превышает 8 м/с. Многие из этих зон расположены вблизи населенных центров, таких, как Нью-Йорк, Нью-Ингленд, Западный Техас, Денвер, Колорадо Спрингс, Лос-Анджелес и Сан-Франциско. Другие же районы обслуживаются крупными энергосистемами, такими, как Bonneville Power Administration и Tennessee Valley Authority.
Рис. 1. Зоны территории США со среднегодовой скоростью ветра, превышающей 8 м/с.
Суммирование средних мощностей, возможных в пределах контура со скоростями 8 м/с, в зоне, окружающей Великую Равнину, показывает, что даже при занижении данных в части эффективности работы и правильности размещения ветродвигателей только энергия ветра, которая может быть использована в этой зоне, в несколько раз превышает энергетические потребности США в настоящее время.
Характеристики ветра
Мощность ветрового потока Р, проходящего через поперечное сечение площадью F , равна произведению этой площади на скорость потока Vи кинетическую энергию единицы объема потока (илиру2/2),т.е. p = ( FV ) pVV 2 = pFV 3/2 _
Мощность, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения потока, т. е. удельная мощность ветра, поэтому равна
P / F= pV 3 /2
В результате удельная мощность ветра на уровне моря увеличивается от 54 Вт/м2 при скорости ветра 4,5 м/с до 1,5 кВт/м2 при скорости ветра 13,5 м/с и до 7 кВт/м2 при 22,5 м/с. С увеличением высоты плотность воздуха уменьшается, так что удельная мощность ветра становится меньше (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость удельной мощности ветра РУЯ от его скорости V и высоты над уровнем моря h .
Рис. 3. Зависимость мощности ветрового потока Р на уровне моря от сечения потока Fи скорости ветра V .
Рис. 4. Типовая запись скорости ветра (в среднем за 1 мин, по данным службы погоды США).
Роза ветров, показывающая число часов действия в течение года ветра определенных направлений;
а — роза ветров для Кливленда.
Мощность ветрового потока пропорциональна площади поперечного сечения, через которую он протекает. Например, на уровне моря поток со скоростью 9 м/с и площадью поперечного сечения 9,3 м2 обладает мощностью около 4 кВт, при увеличении площади До 93 000 м2 она достигает 40 МВт (рис. 3). Ветер обычно часто изменяется по направлению, и его скорость может быстро изменяться, характерно наличие больших порывов ветра (рис. 4, 5). Его средняя скорость также обычно значительно изменяется по сезонам в течение года. В большинстве мест его амплитуда часто в 2 или 3 раза выше зимой, чем летом.
Рис. 5. Распределение среднегодовой скорости ветра для трех местностей:
1 — Грандпас-Кноба (при высоте расположения флюгера 43 м); 2 — аэропорта Амарилло (при высоте 7 м);. 3 — Плам-Брука, штат Огайо (при высоте 40 м).
График, показывающий число часов в году, в течение которых ветер в данном месте достигает различной среднечасовой скорости, называют кривой повторяемости скоростей ветра (рис. 5)). Кривые, показывающие распределение среднегодовой мощности ветра, приходящейся на единицу площади, в зависимости от скорости ветра называют кривой распределения среднегодовой удельной мощности.
Рис. 6. Изменение скорости порыва ветра:
1 — максимальное значение скорости ветра при порыве; 2 - средняя скорость; 3 — максимальное изменение скорости при порыве; 4 — время падения скорости при порыве; 5 — время формирования порыва.
Рис. 7. Сравнение действительной Рул-п и расчетной Руя.р удельной мощностей ветра, подсчитанных по среднегодовой скорости ветра для различных местностей:
1 — расчетная зависимость для станции Нью-Мексико; 2 — энергия ветра, определенная по его среднегодовой скорости; 3 — Бербэнк; 4 — Медфорд; 5 — Фииикс; 6 — Рино; 7 — Тусои; в —Тампа; 9— Альбукерк; 10 — Мндленд; 11 — Колорадо-Сприиг; 12 — Ла-Вега; 13 — Эль-Пасо; 14 — Амарилло; 15 — Лаббок; 16 — Уэйко; 17 —Греит-Фолс; 18 — Колд-Бей.
По оценкам Лаборатории Sandia, учитывающим кубическую зависимость между энергией ветра и его скоростью, а также порывистость ветра (рис. 6), который редко бывает установившимся, действительная энергия ветра, возможная в данном месте, может в 2 или 3 раза превышать энергию, подсчитанную по среднегодовой скорости ветра в этом месте. Поэтому в зависимости от чувствительности ветродвигателя к этим изменениям скорости ветра ожидаемые его характеристики, определяемые по среднегодовой скорости ветра, могут быть заниженными (рис. 7).
Распределение среднегодовой удельной энергии ветра равно распределению среднегодовой удельной мощности, умноженной на число часов в течение года повторяемости соответствующей скорости (рис 8). График распределения среднегодовой удельной энергии ветра при различных скоростях в данном месте показывает, что наибольшую долю энергии содержат скорости ветра, превышающие среднюю; их вклад в суммарную среднегодовую выработку энергии, подсчитанную для всех его скоростей, обычно мал для скорости ветра, превышающей в 3 раза его среднюю скорость (рис. 9).
Рис. 1.20. Типовое распределение среднегодовой удельной энергии ветра №уд при различных скоростях V :
1 — наиболее частая скорость ветра; 2 — V —5,8 м/с [суммарная уд = 1800 кВт * ч/(м2 * год)].
Рис. 1.21. Типовое распределение среднегодовой удельной энергии ветра WyB для местностей с малыми и большими среднегодовыми скоростями ветра Vr .
Выбор участков под ветроустановку
К выбору места расположения ветродвигателя необходимо проявлять особое внимание в связи с влиянием касательных напряжений и поджатая горизонтального ветрового потока, проходящего над поверхностью земли. Эти напряжения возникают при малых скоростях ветра вблизи подстилающей поверхности, а не на высотах, где скорость свободного потока достаточно велика. Скорость невозмущенного ветрового потока на достаточно большой высоте, где исключено влияние поверхностного трения, как правило, значительно больше, чем у поверхности или на стандартной высоте расположения анемометра, где обычно измеряется скорость ветра. Практически принимают, что скорость ветра на высоте увеличивается в степени 1/7 по отношению к скорости у поверхности земли.
Касательные напряжения ветрового потока и, следовательно, возможная энергия ветра зависят от шероховатости поверхности земли в данном месте, в том числе от сооружений, деревьев, ветродвигателей и других препятствий. В Швеции были проведены испытания в аэродинамической трубе для определения минимально допустимого расстояния между ветроколесами ВЭУ, необходимого для предотвращения их взаимовлияния. Результаты показали, что расстояние должно быть равно 6 диаметрам ветроколеса, по другим данным оно должно составлять от 8 до 12 диаметров.
Существенное влияние на работу ВЭУ оказывают поджатие и ускорение ветрового потока, проходящего над возвышенностями или в узких долинах. Часто оказывается возможным увеличить среднюю выработку ветродвигателя, если при установке его обращать внимание на увеличение средней скорости ветра в результате явлений, подобных указанным.
Условия, желательные для места установки ВЭУ, следующие: большая среднегодовая скорость ветра; отсутствие высоких препятствий с подветренной стороны на расстоянии, которое определяется высотой препятствия; плоская вершина; выравнивающая возвышенность (с отлогими склонами) на плоской равнине или островах озер или морей; открытые равнины или побережье; горное ущелье, образующее туннель.
Исследование характеристик ветра
Климатический центр National Climatic Center (NCC) собирает данные измерений характеристик ветра на 600 метеостанциях США, по которым можно определить средние скорости и направления ветра, распределение среднемесячной и среднегодовой энергии и мощности ветрового потока. Однако ввиду особенностей характера местности обычно имеет смысл провести детальные исследования ветра до выбора места установки ветродвигателя. Типовые измерения характеристик ветра для предполагаемого места установки ветродвигателя большой мощности обычно проводят трехчашечным анемометром и датчиком направления ветра, установленным на высоте 9 м (для получения предварительных данных), и 30 м (для долговременных исследований). Регистрирующие системы записывают данные о среднегодовых скоростях и направлениях ветра на обычную или магнитную ленту. Результирующими являются недельные и месячные характеристики повторяемости ветра.
