Энергия ветра

Пока над нами светит солнце, пока существует атмосфера, до той поры над поверхностью планеты будут передвигаться воздушные массы. Происходит это по причине неравномерного нагрева поверхности Земли. Теплый воздух имеет меньшую плотность и поднимается вверх, а на его место притекают более тяжелые, холодные, массы воздуха. Постоянные перемещения воздушных объемов в горизонтальной плоскости, называются ветром.

Основной характеристикой ветра является его скорость. Единицей измерения принято считать расстояние, пройденное частицами воздушных масс за единицу времени.

В системе измерений СИ скорость ветра измеряется метрами, пройдеными воздушными массами за 1 секунду - м/с.

Прибор, при помощи которого осуществляется измерение скорости ветра, называется АНЕМОМЕТР. Но оценить скорость ветра приблизительно можно и по внешним сравнительным признакам, приведенным в таблице Бофора:

Баллы по шкале Бофорта Характеристика силы ветра Скорость ветра м/сек. Скорость ветра км/час Объективное проявление
0 Штиль 0 - 0,2 0 - 0,7 Дым поднимается вертикально
1 Тихий 0,3 - 1,5 1,08 - 5,4 Дым начинает отклоняться от вертикального положения, флюгеры, даже самые чувствительные, не вращаются
2 Легкий 1,6 - 3,3 5,76 - 11,9 Движение ветра ощущается лицом, шелест листьев, приводятся в движение флюгеры, ветрогенераторы входят в рабочий режим
3 Слабый 3,4 - 5,4 12,24 - 19,4 Листья и самые тонкие ветки деревьев колышутся, развеваются флаги, установленные на высоте
4 Умеренный 5,5 - 7,9 19,8 - 28,4 Ветер поднимает пыль и мелкие бумажки, приводит в движение тонкие ветви деревьев
5 Свежий 8 - 10,7 28,8 - 38,5 Качаются тонкие стволы деревьев диаметром 2 - 4 см, на морских волнах появляются гребешки, ветрогенераторы выходят на максимальную мощность
6 Сильный 10,8 - 13,8 38,88 - 49,9 Качаются толтые сучья деревьев диаметром 6 - 8 см, слышен шум ветра в телеграфных проводах
7 Крепкий 13,9 - 17,1 50,04 - 61,6 Качаются стволы деревьев в верхней их части, идти против ветра неприятно
8 Очень крепкий 17,2 - 20,7 61,92 - 74,5 Ветер ломает сухие сучья деревьев, идти против ветра очень трудно
9 Шторм 20,8 - 24,4 74,88 - 87,8 Небольшие повреждения; ветер срывает незакрепленные дымовые колпаки и ветхую черепицу
10 Сильный шторм 24,5 - 28,4 88,2 - 102,2 Разрушения кровельных покрытий и неукрепленных конструкций, ослабленные деревья вырываются с корнем, автоматическое отключение ветрогенераторов
11 Жестокий шторм 24,5 - 32,6 102,6 - 117,4 Большие разрушения на значительном пространстве
12 Ураган 32,7 -   117,7 -    

Как все материальное, воздух имеет вес и один его кубический метр (1 м3) весит 1,293 кг. (Политехнический словарь. «Советская энциклопедия» Москва. 1989г.) Но эта величина не постоянна, так как зависит от значений барометрического давления и температуры. С увеличением высоты над уровнем мирового океана, повышения температуры, давление будет снижаться, а масса воздуха уменьшатся. Точно также с повышением температуры воздух расширяется, плотность молекул газов уменьшается и масса воздуха в определенном объеме (1 м3) уменьшится. Для практических расчетов массу воздуха принимают 1,23 кг/ м3.

Ветер, как любая движущаяся масса, обладает кинетической энергией, которая непостоянна и изменяется в зависимости от изменения его скорости.

Секундная энергия, или мощность потока, пропорциональна кубу скорости.

Иными словами, если скорость ветра увеличилась, например в 2 раза, то энергия воздушного потока возрастет в

23 = 2 * 2 * 2 = 8 раз.

Ветровые потоки по своей природе не однородны. При движении в при земном пространстве, от изменчивого рельефа местности, растительности, строений и прочих препятствий возникают завихрения, которые можно наблюдать в то время, когда ветер разгоняет туман или дым. Он распространяется клубами, в разных точках которых присутствует разное направление движения воздуха. Зона турбулентности в зависимости от направления ветра и высоты препятствия имеет следующую форму.

С увеличением высоты, влияние земли на линейность ветрового потока снижается, и скорость ветрового потока возрастает.

Для оценки увеличения скорости ветра от высоты применяется расчетная формула:

V / Vo = (H / Ho)a

V = Vo * (H / Ho)a

где:
Vo и Ho - известные значения скорости ветра (м/с) на исходной высоте (м);
Н - запланированная высота (м);
V - определяемая скорость ветра (м/с);
a - эмпирический показатель степени 0.14.

Например:

скорость ветра Vo=5 м/с на высоте Ho=2 м.

Тогда прогнозируемая скорость ветра V на новой высоте H=10 м равна:

V = 5 х ( 10 / 2)0.14 = 6.26 м/с.

Из выше приведенного следует вывод, что для получения большей мощности ветроколесо необходимо поднимать на максимально возможную высоту.

Движение воздушных масс зависит от многих факторов. В следствии этого ветер не постоянен в своем движении и его оценивают как по мгновенной так и по средней скорости, которая определяется как средняя арифметическая величина, полученная из ряда мгновенных скоростей ветра, измеренные через равные интервалы в установленном промежутке времени. Для большинства районов континентальной территории, на которой располагаются республики: Беларусь, Украина, Российская Федерация, среднегодовые скорости ветра находятся в диапазоне 4 – 5 м/с. По наблюдениям М.М. Поморцева повторяемость разных скоростей ветра для континентальной части Беларуси, России и Украины можно оценить по следующей таблице.

Величины очень небольшие, и чтобы получить энергию из таких потенциалов, надо подходить к задачам без наскоков и фантастических запросов. При всем при этом учитывать, что каждый ватт полученной энергии при помощи ветра сохранит вам глоток чистого воздуха.

Альтернативная энергетика. Все документы