- Энергия ветра
Η. П. Селиванов
Общая характеристика ветра как возобновляемого источника энергии .
Ветер, или перемещение масс относительно поверхности Земли, возникает вследствие неравномерного распределения атмосферного давления и обусловлен особенностями формирования температурного режима различных регионов. Ветер направлен в сторону понижения атмосферного давления и определяется той стороной горизонта, откуда перемещается воздушный поток. Ветер является носителем механической (кинетической) и тепловой энергии. На формирование потоков ветра влияют глобальные и региональные факторы.
Ветер как энергетический фактор представляет собой производную от солнечной энергии. Часть поступающей на планету лучистой энергии Солнца, которая преобразуется в кинетическую энергию ветра, оценивается величиной 2700 ТВт. Из этой энергии на высоту до 100 м над поверхностью Земли, т.е. на зону возможного или фактического расположения строительных объектов, включая высотные, приходится не более 25%. Общий ветровой энергетический потенциал континентов, который гипотетически можно когда-либо реализовать, с учетом неизбежных потерь составляет до 40 ТВт. Для сравнения отметим, что общее потребление энергии человечеством на данном этапе составляет 10 ТВт.
К важнейшим глобальным факторам следует отнести неравномерную обеспеченность солнечной энергией экваториальной и полярной зон планеты, различия в формировании радиационного и теплового балансов над поверхностью материков и океанов, вращение Земли и угол наклона оси вращения Земли к эклиптике. Под влиянием этих факторов формируются глобальные устойчивые или сезонно изменяющиеся воздушные течения, а также другие динамические процессы изменения характера и направленности воздушных потоков в атмосфере.
К региональным факторам, влияющим на формирование локальных воздушных течений и определяющим их высокую изменчивость, следует отнести рельеф местности и наличие водоемов в пределах рассматриваемого региона или прибрежных зон раздела суши и моря. При этом скорость ветра как одна из важнейших характеристик энергии воздушного потока существенно зависит от совпадения или несовпадения направленности общих и местных циркуляционных процессов в атмосфере, а также от характера рельефа местности.
Здания различной этажности с учетом характера и плотности застройки представляют собой антропогенный фактор изменения рельефа местности и сами влияют не только на изменение скорости и направления ветра у поверхности Земли, но и на высотное распределение этих параметров в приземном слое.
1.2.2. Мощность ветрового потока.
Ветровой поток, проходящий через сечение площадью F со скоростью v, имеет мощность
(1.22) и удельную мощность
(1.23)
где р — плотность воздуха;
— кинетическая энергия.
Энергия ветра, отнесенная к единице площади земной поверхности, может быть определена по формуле
(1-24)
где ∆t — время, ч; Pуд — удельная мощность ветра на единицу площади, Вт/м2.
Энергия ветра изменяется под влиянием многих факторов, к числу которых относятся колебания плотности атмосферы в зависимости от температуры и высоты над уровнем моря, шероховатости подстилающей поверхности и т. д. Кроме того, на результаты определения энергии ветра существенно влияет точность отсчета показаний прибора, тип и расположение анемометра, репрезентативность условий площадки, выбранной для измерения скорости ветра. Изменение энергии ветра вследствие изменения плотности воздуха в зависимости от высоты местности над уровнем моря и колебания температуры воздуха по данным США показаны на рис. 1.9—1.10.
Следует отметить, что неточность в оценке скорости ветра на 1,0—1,2 м/с для диапазона скоростей 3—6 м/с может привести к ошибке в оценке энергии ветра, достигающей 100% и более.
Ветер оказывает на здания и сооружения динамические воздействия и создает статическую нагрузку. Статическая ветровая нагрузка может быть определена как величина, нормальная к поверхности конструктивного элемента сооружения, по формуле
Q = Cxq, (1-25)
где Сх — аэродинамический коэффициент лобового сопротивления сооружения; q — (1/2) mv2 — давление ветра, или скоростной напор ветра. При нормализованных температуре воздуха 15° С, атмосферном давлении 101.325 кПа и плотности р= 1,225 кг/м3 q— v2/16.
Территория СССР районирована по скоростным напорам ветра, при этом в основу положены нормативные скоростные напоры ветра, которые определены по формуле
(1.26) где
(1-27)
Здесь υ5 расчетная скорость ветра, возможная раз в пять лет.
Такой подход к оценке ветровых воздействий на здания целесообразен с позиций определения надежности, но не дает объективной информации о ветроэнергетических ресурсах объекта. Для инженерных оценок ветроэнергетических ресурсов зданий и сооружений и их оптимизации необходима следующая достоверная (вероятностная) информация;
о распределении скоростей ветра во временных интервалах и по направлениям;
о степени соответствия справочных данных по региону, полученных в результате статистической обработки материалов наблюдений различной длительности на той или иной метеостанции, фактическим характеристикам ветра в отдельных микрорайонах региона с учетом характеристик микрорельефа и их изменений, вносимых комплексами возводимых зданий;
о высотном распределении скоростей и вертикальной экстраполяции ветра.
Информация о суточном ходе, а также о вероятностном распределении скоростей ветра по направлениям и по временным интервалам (в пределах каждого месяца или суток) содержится в Справочнике по климату СССР [5]. Так, повторяемость скоростей ветра 3—5 м/с, благоприятных для работы ветроустановок в условиях Камчатской области на побережье и Командорских островах, составляет 60—75%, достигая в отдельных пунктах (мыс Лопатка) 84,5% (рис. 1.11). Из этого можно сделать вывод о природной предрасположенности региона к использованию энергии ветра. Однако применять информацию из Справочника в инженерных, в том числе оценочных, расчетах энергетических ресурсов того или иного строительного объекта следует с учетом поправочных коэффициентов К, принимаемых, например, из табл 1.9, составленной Е. Н. Романовой по данным С. А. Сапожниковой и И. А. Гольцберг [13].
Если высота сооружения превышает 10 м, то ветровой напор определяется по формуле
(1-28)
где Кz — коэффициент пересчета ветрового напора на другие высоты, п — коэффициент перегрузки, β — коэффициент пульсации ветрового напора и динамичности конструкции; q — ветровой напор иа высоте 10 м.
Для высотных сооружений ветровую нагрузку определяют и суммируют по частям и по высоте, используя формулу
(1.29)
где S — проекция площади высотного участка сооружения или его отдельного элемента в выбран иом высотном интервале на плоскость, перпендикулярную направлению ветра Коэффициент Кz достаточно корректно определяется в интервале высот до 100 м по изменению скоростей ветра и на современном этапе охватывает всю область высот, практически необходимую для разработки ветро- энергоактивных зданий.
Вертикальные профили скоростей и скоростных напоров ветра для малоэтажных зданий до высоты 15—20 м могут быть определены по формуле
(1.30)
где υz1 и υz, — скорости ветра на высоте z1 и z, а параметр z0 отображает влияние шероховатости подстилающей поверхности.
Таблица 1.9.
Зависимость поправочного коэффициента К от рельефа местности для высоты 2 м [13]
Для более высоких сооружений изменение скорости ветра может быть определено по формуле
. 
. (1-31)
где V1 и v — средние скорости ветра на высотах z1 и z2; т — параметр, зависящий от шероховатости подстилающей поверхности, скорости ветра, стратификации и турбулентности рассматриваемого слоя атмосферы (z1—z).
Параметр т — условная величина. Эмпирически установлены изменения значения т от 0,08—0,15 при неустойчивой стратификации до 0,6—0,8 при устойчивой стратификации атмосферы.
На рис. 1.12 показаны полученные Μ. М. Борисенко зависимости параметра т от скорости ветра по данным для Киева, Новосибирска, Ленинграда, Обнинска. Из рис. 1 12 видно, что параметр т при скорости ветра, близкой к 10 м/с, в условиях открытой или слабо защищенной местности равен 0,1, а в условиях многоэтажной застройки при скорости ветра более 10 м/с значение т возрастает в 3 раза (до 0,3).
Влияние городской застройки на изменение параметра т можно проследить по данным исследований Дайвенпорта [9] Полученная им зависимость имеет вид
(1.32)
где vz — скорость ветра на высоте z; νg — скорость геострофического ветра, соответствующая высотному уровню.
Осредненные значения т по Дайвенпорту для открытой ровной местности, окраины и центра города приведены в табл. 1.10, там же показаны значения уровня геострофического ветра zg.
Влияние динамической составляющей воздействия порывистого ветра на сооружения изучено недостаточно для нормативных обобщений, и при разработке наиболее чувствительных к нему элементов зданий или сооружений требуется экспериментальная проверка путем моделирования процессов в аэродинамической трубе или иными методами. К таким элементам или агрегатам относятся в первую очередь трансформируемые и ветроэнергоактивные конструкции зданий. Практически важная задача заключается в определении критического уровня динамических воздействий, при которых ветроактивный элемент должен быть отключен или переведен в наиболее устойчивое и безопасное положение.
Для выявления регионов, наиболее обеспеченных ветровой энергией, выполняют зонирование территории по указанному параметру. Так, на рис. 1.13 показана карта распределения среднегодовой мощности ветра на территории США. При этом необходимо помнить, что, например, при средней мощности ветра в регионе, оцениваемой в 500 Вт/м2, ее фактические локальные значения в различных географических точках региона могут отличаться в 2 -3 раза, достигая на горных вершинах или в горных ущельях значений 1000-1500 Вт/м2. Для регионов с выраженной сезонной изменчивостью социально-экономической активности (санаторно-курортные зоны, северные порты с сезонной навигацией) целесообразно расширение картографической и иной информации о сезонных колебаниях обеспеченности ветровой энергией, а в пределах локального региона (город, поселок, территория совхоза или колхоза) для решения практических вопросов выбора наиболее обеспеченного ветровой энергией участка необходимо проводить оценку рельефа местности по этому параметру или выполнять рекогносцировочные аэрологические исследования, результаты которых должны включать карту ветроэнергоресурсов микрорайона.
Итак, основными расчетными факторами при оценке энергии ветра в конкретном регионе являются данные о скорости ветра, ее вертикальном спектре, а также суточном и годовом ходе с учетом шероховатости подстилающей поверхности региона. Расчет энергии ветра должен производиться с учетом фактического хода плотности воздуха в зависимости от температуры и атмосферного давления.
