Ветровые системы, которые существуют над земной поверхностью, являются результатом изменений давления воздуха. Это в свою очередь из-за изменений в солнечном нагревании. Теплый воздух поднимается, и холодный воздух устремляется на его место. Ветер — это просто движение воздуха из одного места в другое. Существуют глобальные модели ветра, связанные с крупномасштабным солнечным нагревом различных областей земной поверхности и сезонными колебаниями солнечной активности. Существуют также локальные модели ветра из-за влияния разницы температур между сушей и морями или горами и долинами. Скорость ветра обычно увеличивается с высотой над землей. Это связано с тем, что неровности грунта, такие как растительность и дома, замедляют ветер.
Так как ветряные турбины производят электричество? Проще говоря, ветротурбина работает противоположно вентиляторам. Вместо использования электричества для производства ветра, как вентилятор, ветряные турбины используют ветер для производства электричества. Ветер вращает лопасти, которые вращают вал, который соединяется с генератором и производит электричество. Посмотрите анимацию ветрогенератора, чтобы увидеть, как работает ветрогенератор, или загляните внутрь. Ветер является формой солнечной энергии и является результатом неравномерного нагрева атмосферы солнцем, неровностей земной поверхности и вращения Земли. Схемы и скорости ветрового потока значительно различаются по Соединенным Штатам и зависят от водоемов, растительности и различий в местности.
Данные о скорости ветра могут быть получены из карт ветра или из метеорологического бюро. К сожалению, во многих регионах мира общая доступность и надежность данных о скорости ветра крайне низка. Тем не менее, в значительных районах мира среднегодовая скорость ветра превышает 4-5 м / с (метров в секунду), что делает маломасштабную ветряную электроэнергию привлекательным вариантом. Важно получить точные данные о скорости ветра для данного объекта, прежде чем принимать какое-либо решение относительно его пригодности. Методы оценки средней скорости ветра приведены в соответствующих текстах (см. Раздел «Справочные материалы и ресурсы» в конце данного информационного бюллетеня).
Сила ветра пропорциональна:
• ветряная мельница
• куб скорости ветра
• плотность воздуха — которая меняется с высотой
Формула, используемая для расчета мощности ветра, показана ниже:
P = ½.ρ.A.V3
где P — мощность в ваттах (Вт)
ρ плотность воздуха в килограммах на кубический метр (kg/m3)
A площадь подметаемого ротора в квадратных метрах (m2)
V скорость ветра в метрах в секунду (m/s)
Тот факт, что мощность пропорциональна кубу скорости ветра, очень важен. Это можно продемонстрировать, указав, что если скорость ветра удваивается, то мощность ветра увеличивается в восемь раз. Поэтому стоит найти место с относительно высокой средней скоростью ветра.
Ветер в ваттах
Хотя приведенное выше уравнение мощности дает нам мощность ветра, фактическая мощность, которую мы можем извлечь из ветра, значительно меньше, чем предполагает эта цифра. Фактическая мощность будет зависеть от нескольких факторов, таких как тип используемой машины и ротора, сложность конструкции лопасти, потери на трение и потери в насосе или другом оборудовании, подключенном к ветровой машине. Существуют также физические ограничения на количество энергии, которое можно реально извлечь из ветра. Теоретически может быть показано, что любая ветряная мельница может извлечь из ветра максимум 59,3% энергии (это известно как предел Бетца). На самом деле этот показатель обычно составляет около 45% (максимум) для большой турбины, вырабатывающей электроэнергию, и около 30–40% для ветряного насоса (см. Раздел о коэффициенте полезного действия ниже). Таким образом, изменяя формулу «Мощность на ветру», мы можем сказать, что мощность, которая вырабатывается ветровой машиной, может быть задана следующим образом:
PM = ½.Cp.ρ.A.V3
где,
PM Доступна ли мощность (в ваттах) от машины
Cp коэффициент производительности ветровой машины
Также следует помнить, что ветряная машина будет работать с максимальной эффективностью только в течение той части времени, в которой она работает, из-за колебаний скорости ветра. Приблизительная оценка мощности ветровой машины может быть получена с использованием следующего уравнения;
PA = 0.2 A V3
где,
PA средняя мощность в ваттах за год
V средняя годовая скорость ветра в m/s
Есть два основных физических принципа, по которым энергия может быть извлечена из ветра; это через создание силы подъема или сопротивления (или через комбинацию двух). Разница между сопротивлением и подъемом иллюстрируется разницей между использованием парусного спинакера, который наполняет как парашют и тянет парусную лодку с ветром, и бермудской вышкой, знакомым треугольным парусом, который отклоняется ветром и позволяет парусной лодке путешествовать поперек ветра или слегка на ветру.
