Глобальные ветры. К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер

Введение

Если  в конце прошлого века энергия  играла, в общем, вспомогательную  и незначительную в мировом балансе  роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часов  электроэнергии. Вполне реален прогноз, по которому в 2000 году будет произведено 30 тысяч миллиардов киловатт-часов! Гигантские цифры, огромные темпы роста! И все равно энергии будет  мало - потребности в ней растут еще быстрее. Уровень материальной, а, в конечном счете, и духовной культуры людей находится в прямой зависимости  от количества энергии, имеющейся в  их распоряжении.

Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить  дом, сделать любую вещь, нужно  израсходовать энергию. А потребности  человека все время растут, да и  людей становится все больше. Так  за чем же остановка? Ученые и изобретатели уже давно разработали многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Давайте тогда строить все больше и больше электростанций, и энергии будет столько, сколько понадобится! Такое, казалось бы, очевидное решение сложной задачи, оказывается, таит в себе немало подводных камней. Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм.

Вечные  двигатели, якобы производящие энергию  и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных  киловатт получаются в принципе тем  же способом, которым пользовался  первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или  при использовании запасенной в  нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях.

Правда, способы сжигания топлива стали  намного сложнее и совершеннее. Возросшие требования к защите окружающей среды потребовали нового подхода  к энергетике. В разработке Энергетической программы приняли участие виднейшие  ученые и специалисты различных  сфер. С помощью новейших математических моделей электронно-вычислительные машины рассчитали несколько сотен  вариантов структуры будущего энергетического  баланса. Были найдены принципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики на грядущие десятилетия. Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика  на не возобновляемых ресурсах, структура  ее изменится. Должно сократиться использование  нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется использование пока еще не тронутых гигантских запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ (запасы которого в стране намного превосходят запасы в других странах). Энергетическая программа - основа техники и экономики в канун 21 века. Но ученые заглядывают и вперед, за пределы сроков, установленных Энергетической программой.

На пороге 21 века, и они трезво отдают себе отсчет в реальностях третьего тысячелетия. К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы  создать эти запасы, потребовались  миллионы лет, израсходованы они  будут за сотни. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над  тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива  может хватить на века. К сожалению, многие нефтедобывающие страны живут  сегодняшним днем. Они нещадно  расходуют подаренные им природой нефтяные запасы. Сейчас многие из этих стран, особенно в районе Персидского залива, буквально  купаются в деньгах, не задумываясь, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда, а это рано или  поздно случится, когда месторождения  нефти и газа будут исчерпаны? Вероятность скорого истощения  мировых запасов топлива, а также  ухудшение экологической ситуации в мире, (переработка нефти и  довольно частые аварии во время ее транспортировки представляют реальную угрозу для окружающей среды) заставили  задуматься о других видах топлива, способных заменить нефть и газ.

Сейчас  в мире все больше ученых инженеров  занимаются поисками новых, нетрадиционных источников которые могли бы взять  на себя хотя бы часть забот по снабжению человечества энергией. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии включают солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биомассу и энергию Мирового океана.

Ветер дует везде – на суше и на море. Человек  не сразу понял, что перемещение  воздушных масс связано с неравномерным  изменением температуры и вращением  земли, но это не помешало нашим предкам  использовать ветер для мореплавания.

Поэтому вполне понятны многочисленные попытки "запрячь ветер в упряжку" и заставить его вырабатывать электрический ток.

Первая  в нашей стране ветряная электростанция мощностью 8 кВт была сооружена в 1929-1930 гг. под Курском по проекту  инженеров А.Г. Уфимцева и В.П. Ветчинкина. Через год в Крыму была построена  более крупная ВЭС мощностью 100 кВт, которая была по тем временам самой крупной ВЭС в мире. Она успешно проработала до 1942 г., но во время войны была разрушена.

Значительные  успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом. Во многих странах Западной Европы построено довольно много  установок по 100-200 кВт. Во Франции, Дании  и в некоторых других странах  были введены в строй ВЭС с  номинальными мощностями свыше 1 МВт.

Одна  из наиболее известных установок  этого класса "Гровиан" была создана  в Германии, ее номинальная мощность — 3 МВт. Но самое широкое развитие ветроэнергетика получила в США. Еще в 1941 г. там была построена  первая ВЭС мощностью 1250 кВт, а сейчас общая мощность всех ВЭС в этой стране достигает 1300 МВт, причем среди  них есть гиганты с мощностью  до 4 МВт (табл.2.). Всего в мире в  настоящее время насчитывается  около 3 млн. ветроустановок, из них  примерно 3,5 тыс. у нас.

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра  могут конкурировать с традиционными  источниками электроснабжения. Из всевозможных устройств, преобразующих энергию  ветра в механическую работу, в  подавляющем большинстве случаев  используются лопастные машины с  горизонтальным валом, устанавливаемым  по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом.

Кинетическая  энергия, переносимая потоком ветра  в единицу времени через площадь  в 1 м2 (удельная мощность потока), пропорциональна  кубу скорости ветра. Поэтому установка  ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые  скорости ветра достаточно велики.

Ветровое  колесо, размещенное в свободном  потоке воздуха, может в лучшем случае теоретически преобразовать в мощность на его валу 16/27=0,59 (критерий Бетца) мощности потока воздуха, проходящего через  площадь сечения, ометаемого ветровым колесом. Этот коэффициент можно  назвать теоретическим КПД идеального ветрового колеса. В действительности КПД ниже и достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это  означает, например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт.

Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ  обычно принимается на уровне 11-15 м/с. Вообще, как правило, чем больше мощность агрегата, тем на большую скорость ветра он рассчитывается. Однако в  связи с непостоянством скорости ветра большую часть времени  ВЭУ вырабатывает меньшую мощность. Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5-7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается номинальная мощность не менее 2000, то такое место благоприятно для установки крупной ВЭУ и даже ветровой фермы.

Автономные  установки киловаттного класса, предназначенные  для энергоснабжения сравнительно мелких потребителей, могут применяться  и в районах с меньшими среднегодовыми скоростями ветра.

Глобальные ветры. К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер.

Пассаты образуются в результате нагрева экваториальной части земли. Нагретый воздух поднимается вверх, увлекая за собой воздушные массы с севера и юга. Вращение земли отклоняет потоки воздуха. В результате устанавливаются дующие круглый год с постоянной силой северо-восточный пассат в северном полушарии и юго-восточный – в южном. Пассаты дуют в приэкваториальной области, заключенной между 25 и 30° северной и южной широтами соответственно. В северном полушарии пассаты охватывают 11% поверхности океанов, а в южной – 20%. Сила пассатного ветра обычно составляет 2-3 балла. Западный ветер дует круглый год с запада на восток в полосе от 40 до 60° южной широты вдоль кромки дрейфующих льдов Антарктиды. Это самый сильный постоянный ветер. Его сила достигает 8-10 баллов и редко бывает менее 5 баллов.

В глубине  материка нет постоянного направления  ветра. Так как разные участки  суши в разное время года нагреваются  по-разному можно говорить только о преимущественном сезонном направлении  ветра. Кроме того, на разной высоте ветер ведет себя по-разному, а  для высот до 50 метров характерны “рыскающие” потоки.

Потенциал атмосферы можно вычислить, зная ее массу и скорость рассеяния  энергии. Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия ветра, превращающаяся в тепло, составляет примерно 82 триллиона  киловатт-часов в год. Конечно, всю  ее использовать невозможно, в частности, по той причине, что часто поставленные ветряки будут затенять друг друга. В то же время отобранная у ветра  энергия, в конечном счете, вновь  превратится в тепло.

Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой  высоте превышают 7 м/с. Если выйти на высоту в 100 метров, используя подходящую естественную возвышенность, то везде можно ставить эффективный ветроагрегат. Если взять только нижний 100-метровый слой и поставить установку на 100 квадратных километров, то при установленной мощности около двух миллиардов киловатт можно выработать за год 5 триллионов киловатт-часов, что в 2 раза больше гидроэнергетического потенциала стран СНГ.

Местные ветры. Первыми для плавания использовались местные ветры. К ним относятся бризы. ( Бриз [фр. brise] – свежий ветер.) Бризы – это легкие ветры, окаймляющие берега материков и больших островов, вызываемые суточным колебанием температуры. Их периодичность обусловлена различием температуры суши и моря днем и ночью. Днем суша нагревается быстрее и сильнее, чем море.

Теплый  воздух поднимается над береговой  полосой, а на его место устремляется прохладный воздух с моря – морской  бриз. Ночью берег охлаждается  быстрее и сильнее, чем море, поэтому  теплый воздух поднимается над морем, а его замещает холодный воздух с  суши – береговой бриз.

Вторыми, постоянно дующими ветрами, являются муссоны (Муссон [арабск. мавсим] – время года). Эти ветры дуют в Индийском океане и связаны с сезонным изменением температуры материка и океана. Летом солнечные лучи сильнее нагревают сушу, и ветер дует с моря на сушу. Зимой муссон дует с суши на море. Вращение земли вызывает появление сил Кориолиса, которые отклоняют муссоны вправо. Поэтому летом дуют юго-западные муссоны, а зимой – северо-восточные. Муссоны достигают большой силы и вызывают в Индийском океане соответствующие местным ветрам поверхностные течения.

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается  ветроколесо с лопастями, передавая  крутящий момент через систему передач  валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр  ветроколеса, тем больший воздушный  поток оно захватывает и тем  больше энергии вырабатывает агрегат.

Принципиальная  простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией.

Традиционная  компоновка ветряков – с горизонтальной осью вращения – неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей.

Кроме того, концы лопастей крупной установки, двигаясь с большой скоростью, создают  шум. Однако главное препятствие  на пути использовании энергии ветра все же экономическая – мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии.

Серийно выпускавшийся в 1991 году НПО “Ветроэн” крыльчатый ветродвигатель, имел размах лопастей 6 метров и мощность 4 кВт. Его киловатт-час обходился в 8...10 копеек.

Типы  ветродвигателей

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Ветроагрегаты делятся на две группы:

1. ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые);

2. ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные и ортогональные).

Типы  крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Крыльчатые  ветродвигатели. Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра,, не изменяя своего положения.

Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных – намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.

Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.