Фізичні основи використання енергії вітру

Основні терміни і визначення

Лекція № 8. Вітрова енергетика

Вітродвигун – пристрій для перетворення кінетичної енергії потоку повітря у механічну роботу.

Вітроенергетичний агрегат складається з вітродвигуна і однієї або декількох енергетичних установок для генерування електричної енергії, підйому води, стиснення повітря і т.д.

Вітроелектрична установка (ВЕУ) складається з вітроагрегату, акумулюючої системи (при необхідності) і системи регулювання режимів роботи і керування.

Вітроелектрична станція (ВЕС) об’єднує в єдиний енергетичний комплекс від декількох одиниць до декількох тисяч ВЕУ.

Вітроколесо – складова частина вітродвигуна, призначена для перетворення кінетичної енергії вітру в механічну енергію обертання валу вітродвигуна.

Рух повітряних мас у атмосфері – вітер – виникає під дією різниці тиску повітря в різних точках атмосфери. Різниця тиску в основному виникає через різницю температур повітряних мас. Однією з причин виникнення вітру є також обертання Землі навколо своєї осі. Глобальна циркуляція повітря в атмосфері показана на рис. 1.

В області екватора повітря нагрівається і піднімається вгору. Верхні шари атмосфери рухають у напрямку полюсів, де охолоджуються і опускаються до поверхні. Холодні шари повітря переміщуються над поверхнею Землі у напрямку екватора. Енергетичний потенціал енергії вітру становить 16.8·10¹⁵ кВт·год (біля 1 % від енергії Сонця). Однак, зважаючи на рельєфні особливості місцевості, віддаленість від морів і океанів, пори року сила і напрям – основні характеристики вітру –

Рис.1. Циркуляція повітря в атмосфері змінюються за різними законами, тому енергія вітру в кожній точці

поверхні змінюється в широких межах. Потенціал енергії вітру за регіонами України на висоті h₁ = 10 м від поверхні показано на рис. 2. зі збільшенням висоти швидкість вітру збільшується за таким законом:

, (1)

де υ₁ –значення швидкості вітру на висота h₁,

h – висота, на якій необхідно визначити швидкість вітру,

n – коефіцієнт, який враховує особливості місцевості (для рівнинної поверхні n = 1/7).

Рис. 2. Потенціал енергії вітру на території України

Відомо, що кінетична енергія Е повітряного потоку визначається формулою:

, (2)

де m – маса повітря.

Виразимо масу повітря m через об’єм V і густину ρ = 1.23 кг/м³:

, (3)

Обсяг енергії повітряного потоку, який проходить через переріз площею S за час t визначається з виразу (3) при заміні V = S·υ·t:

. (4)

Зважаючи на (4), питома потужність повітряного Р_П потоку на 1 м² за 1 с рівна:

. (5)

При швидкості вітру υ = 3 м/с питома потужність повітряного потоку складає Р_П = 17Вт/м², υ =5 м/с – Р_П = 77 Вт/м², υ =10 м/с – Р_П = 615 Вт/м².

Дата добавления: 2014-01-07