ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Ветротурбины, использующие эффект Магнуса

Практическое внедрение ветротурбин, основанных на эффекте Магнуса, считается малоперспективным. Эффект Магнуса, который будет рас­смотрен в § 13.14, проявляется, например, когда мы видим кривую траекторию полета закрученного мяча. Вращение летящего в воздухе мяча приводит к не­симметричному его обтеканию и появлению некоторой силы, заставляющей мяч двигаться не по прямой, а по изогнутой траектории. Аналогичная ситуация возникает, когда ветровой поток набегает на вертикальный вращающийся ци­линдр. При этом результирующая сила перпендикулярна к направлению ветра и может быть использована не только в ветроустановках, но, например, и для обеспечения движения судна.

13.2.2. Вихревые ветротурбины

Известна еще одна возможность преобразовывать энергию ветра в механическую энергию. Если через узкую тангенциальную щель направить поток воздуха в полый вертикальный цилиндр, то вводимый поток получит закрутку, и под действием центробежных сил возникнет градиент давления по радиусу цилиндра. В центре цилиндра создается разрежение. Это приводит к тому, что воздух начинает принудительно поступать в цилиндр через нижнее отверстие, где установлена воздушная турбина с генератором. Закрученный воздух уходит из цилиндра через верхнее отверстие. Такой вид ветротурбин был предложен Труманом (Gruman) и был назван в его честь.

13.2. МЕТРОЛОГИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОУСТАНОВОК

Мощность ветротурбины пропорциональна скорости в третьей степени натекающего ветрового потока:

Рв = ~рЛ4ть (1)

где l/2pt>3 — плотность мощности натекающего потока, a 16/27(l/2pt>3) — распола­гаемая плотность мощности ветрового потока; А — ометаемая площадь ветроколеса и г] — КПД ветротурбины.

Средняя мощность ветрового потока, прошедшего через площадь ветроколеса за период времени от нуля до Т, пропорциональна осредненной кубу скорости в третьей степени <v>:

На общее количество энергии, генерируемой ветротурбиной, сильное вли­яние оказывает осредненная скорость ветрового потока в третьей степени, поэтому при проектировании ветротурбины планирование места её установки играет большую роль.

Анемометр — это прибор для измерения скорости ветрового потока. Анемо­метр используется для изучения ветровых условий предполагаемого места уста­новки ветротурбины, для наблюдения за изменениями скорости ветрового пото­ка во времени. Используя данные измерений анемометра за некоторый период времени можно получить изменение плотности мощности ветрового потока и осредненное значение его скорости в третьей степени.

Простое усреднение показаний анемометра позволяет получить среднеариф­метическое значение скорости набегающего потока v, тогда как для оценки энергетического потенциала будущего местоположения ветроустановки необхо­димо знать полную картину распределения скорости ветра во времени. Для ил­люстрации данного положения рассмотрим ветроколесо, на которое дует ветер с постоянной скоростью 10 м/с. В этом случае среднее значение скорости ветра tJ = 10 м/с. Известно, что количество энергии, прошедшей через ветроколесо, пропорционально скорости в третьей степени, или в нашем случае t>3 = 1000. Теперь рассмотрим случай, когда ветер дует на ветроколесо со скоростью 50 м/с в течение 20 % рассматриваемого промежутка времени, а все остальное время

(80 %) он отсутствует вовсе. Тогда простая средняя скорость ветра за данный промежуток времени будет также равна 10 м/с. Однако количество энергии, прошедшей через ветроколесо, пропорционально 0,2 • 503 — 25 ООО, или в 25 раз больше, чем в ранее рассмотренном случае. Этот же результат мы получили бы, если бы постоянная скорость ветра была 29,2 м/с в течение рассматриваемого промежутка времени.

Скорость <v> напрямую измерить с помощью метрологических приборов очень сложно, но её с достаточной точностью можно оценить, воспользовавшись анемограмами. Приборы, которые измеряют значение осредненную скорости в кубе или плотность энергии ветрового потока, называются эолергометрами (от греч. Эол (бог ветра) + эрго (работа) + метр (измерение)).

Эолергометрическая разведка ветрового потенциала местности — это довольно сложная работа, поскольку необходимо проанализировать ветровой потенциал в каждой точке местности, где предполагается установка ветротурбин, составить карты ветрового потенциала местности. Кроме того, при выполнении проект­ных расчетов ветротурбины нужно учитывать профиль распределения скорости ветрового потока по высоте. Ветровая разведка местности должна проводиться достаточно длительное время (не менее года), поскольку важно учитывать се­зонные изменения ветра в данном регионе.

Очевидно, гораздо легче получить простое значение скорости ветрового по­тока v в какой-то определенный период времени, чем определить осредненную скорость в кубе ветра <v> за некоторый заданный промежуток времени. Иногда для расчетов ошибочно используют скорость v, поскольку её легче определить. Следует иметь в виду, что такой подход может быть приемлем лишь в очень ред­ких случаях, когда в регионе ветер дует с практически постоянной скоростью. В действительности же скорость ветра изменяется в широких пределах. Неболь­шая ошибка в расчетах скорости может привести к большой ошибке в опре­делении плотности мощности ветрового потока, так как плотность мощности зависит скорости в кубе.

Если нет достоверных данных о распределении скорости ветра по высоте, то обычно пользуются степенной зависимостью распределения скорости1);