Желдің болуы. Ресейдің желдік зоналары
Муссондар.Теңіздер мен мұқиттар жағалауындағы аудандарда температураның жылдық өзгеруі болады. Сондай-ақ ол циркуляция мен аналогиялық бризды тудырады, бірақ жылдық периодпен. Муссон дегеніміз- бризға қарағанда үлкенірек аумақтағы циркуляция. Муссондар келесі себептерден туындайды: жаздың күні континент оны қоршап жатқан теңіз бен мұқитқа қарағанда өте қатты қыза бастайды; осыған байланысты континентте төмен қысым пайда боладыастыңғы ауа мұқиттан континентке қарай ұмтылады, ал жоғарыда керісінше континенттен оны қоршап тұрған мұқитқа қарай беттейді. Бұл желдер теңіздік муссондар деп аталады. Қыста континент теңіз бетінен қарағанда әлдеқайда суықтау; оларда қысымның жоғарылау аймағы пайда болады. Осыған орай астыңғы қабаттағы ауа континенттен мұқитқа қарай бағытталады. Бұл желдер материктік муссондар деп аталады. Күшті муссондарды Азияның оңтүстік жағалауларында, Үнді мұқитында және Арабия теңіздерінде байқауға болады. Яғни жазда муссондардың бағыты оңтүстіктен батысқа қарай, ал қыста солтүстіктен шығысқа қарай болады. Азияның шығыс жағалауларында муссондар байқалады. Қыста солтүстік батыс материктік сұрапыл желдер соғады; жазда оңтүстік шығыстық және оңтүстік теңіздік ылғал желдер соғады. Бұл желдер шығыс өлкесінің климатына әсер етеді.
Ресейдің солтүстік жағалық зоналары Каспий жағалауы және Сахалиннің солтүстік бөлігі картада көрсетілгендей жел режимінің жоғарғы интенсивтілігімен ерекшелінеді. Мұнда желдің орташа жылдық жылдамдығы 6 м/с асады. Бұл аудандарда қар борандары және дауылдар байқалады (30 м\с-тан жоғары). Сондықтан көрсетілген зонада шыдамдылығы 40 м\с жел жылдамдығында желдік жүктемелерге есептелген жоғарғы жылдамдықпен соғатын желтурбинасы бар агрегаттарды қолдануға болады.
1-сурет. Ресейдің желэнергетикалық ресурсының картасы. Мұндағы сандар орташа жылдық жел жылдамдығының зоналарын көрсетеді. 1) 6 м\с-тан жоғары; 2) 3,5-тен 6 м\с дейін; 3) 3,5 м\с-қа дейін.
Жұмыс принципі бойынша желтурбинасының классификациясы
Желдоңғалақ құрылғысы схемасы бойынша желтурбинасы үш класқа бөлінеді:
1-ші класс. Желдік доңғалақтары вертикаль жазықтықта орналасқан желтурбинасын қарастырады. Сонымен қатар айналу жазықтығы желдің бағытына перпендикуляр, сәйкесінше желдоңғалағының өсі ағынға параллель. Осындай желтурбиналарын қанатты деп атайды.
Қанаттарының соңғы айналым жылдамдығының жел жылдамдығына қатынасы жылдам қозғалыс деп атайды.
(1)
Қанатты желтурбиналары жел доңғалағы типіне және жылдам қозғалысына байланысты үшке бөлінеді.
- дыбыссыз, жылдам қозғалатын көпқанатты желтурбиналары.
- дыбыссыз азқанатты желтурбиналары, сонымен қатар жылдам қозғалатын желдік диірмен.
- жылдам қозғалатын азқанатты желтурбиналары.
2-ші класс. Жел доңғалағының вертикаль айналу өсі бар желтурбиналары жатады. Конструктивті схема бойынша олар мына топтарға бөлінеді:
- карусельдік, оларда жұмыс істемейтін қанаттар ширмамен жабылады немесе желге қарсы қабырғада орналасады.
- Савониус жүйесінің роторлық желтурбинасы.
3-ші класс. Барабан деп аталатын су дөңгелек диірмен принципі бойынша жұмыс істейтін желтурбиналары жатады. Бұл желтурбиналарында айналу өсі горизонталь және жел бағытына перпендикуляр.
2-сурет.Қанатты желтурбиналарының желдоңғалақ схемасы:1-көпқанатты;2-4-азқанатты
Роторлық желтурбиналарында Савониус жүйелерінде желэнергиясының қолданылу коэффициенті 18%-дан жоғары. Қанатты желтурбиналарында жоғарыда айтылған карусельді және барабанды желтурбиналарының кемшілігі жоқ. Қанатты желтурбиналарының аэродинамикалық сапасы оларды үлкен қуаттылыққа дайындау, бұл класс желтурбиналарының негізгі артықшылығы бір бірлік қуатына қатысты жеңіл салмақ болады.
Қанатты желтурбиналарының коммерциялық қолданылуы 1980 ж басталған. Соңғы 14 жылда жел турбиналарының қуаттылығы 100 есе көбейді: ротор диаметрі 20 м құрайтын 20-60 кВт желтурбиналары 1980 ж бастап, ал ротор диаметрі 100 м жоғарғы 5000 кВт желтурбиналары 2003 ж жоғары(3-сурет). Кейбір желтурбиналарының прототиптері үлкен қуаттылығына және ротор диаметріне ие. Осы периодта желдік энергия бағасы 80%-дан түсті. Электроэнергетика бағасы жағалауда және теңізден алшақ орналасқан желтурбиналарының қуаттылығына байланыстылығы 4-суретте көрсетілген.
3-сурет. Желтурбиналарының коммерциялық роторының диаметрі мен қуаттылығының өсуі
4-сурет. Электроэнергетика бағасы жағалауда және теңізден алшақ орналасқан желтурбиналарының қуаттылығына байланыстылығы көрсетілген.
Жел күші әсер еткендегі беттің жұмысы
Жел жылдамдығы деп бір секунд ішіндегі ауа массасы өтетін қашықтықты айтады. Желдің жылдамдығы бағыты және шамасы бойынша өзгереді. Бұл өзгертулердің себебі жер бетінің біркелкі қызбауынан және жергілікті рельефтің түзу еместігінен.
Жел жылдамдығы желдің техникалық қасиеттері характеристикасының негізгісі болады. көлденең қиылысуымен болатын жел ағыны мына мәнімен анықталатын кинетикалық энергиясы бар:
(2)
жылдамдығы бар көлденең қимасымен ағатын ауа массасы мынаған тең:
(3)
(3) теңдеуді (2) теңдеуге қойып, мынаны аламыз:
, (4)
Осы жерден жел энергиясы оның жылдамдығының кубына пропорционал өзгереді.
Мысалы, карусель типті жел турбиналарында жел бағытына перпендикуляр қойылған және сол бағытта көшірілетін пайдалы жұмыс бетіне айналдыратын жел энергиясы немесе процесті құрайтынын қарастырамыз.
қуаттылығы жылдамдығымен күшінің көбейтіндісімен анықталады:
(5)
Осы жұмысты аз жылдамдықтағы жұмыс бетінің көшіруі үлкен күш әсерінен болғанда алуға болады немесе керісінше көшірілу жылдамдығындағы үлкейтілген кіші бетте сәйкесінше аз күш әсерінен алуға болады.
Айталық, біз жел бағытына перпендикуляр орналасқан бетін алайық. Ауа ағымы беттің әсерінен тоқтаған кезде кедергі туындысы күшімен қысым жасап оны ағып өтеді. Осы күштің әсерінен нәтижесінде бет жылдамдықпен ағынбағытымен қатар жүреді; жұмыс бұл кезде беті жылдамдығыменорын ауыстыратын күш туындысына тең.
(6)
Мұндағы, қарсыласу күші, ол мынаған тең:
(7)
Мұндағы, алдыңғы беттік қарсыласудың аэродинамикалық коэффициенті; ауа ағынына перпендикуляр бағыттағы дененің қиылысу беті және дененің жазықтық ауданына проекциясы.
Бұл жағдайда жел бетке белгілі бір күшпен әсер етеді. Ол күш мынаған тең:
(8)
(7) теңдеудегі мәнін (6) теңдеуге қойып, мынаны аламыз:
(9)
5-сурет. Жел күшінің бетке әсері.
Осы бетке тең көлденең қимасы бар жел ағынының энергиясын (9) теңдеумен сипаттайтын жылжитын беттегі жұмыс қатынасын тапсақ:
(10)
Осы түрлендірулерден кейін мынаны аламыз:
(11)
шамасын жел энергиясын пайдалану коэффициенті деп атайды. (11) теңдеуінен біз беттің жел бағытына өту жылдамдығына тәуелді болатынын көреміз. жылдамдығының кей мәнінде коэффициенті максималды мән қабылдайды. Шын мәнінде, егер беттің көшірілу жылдамдығы нөлге тең болса онда желдің жұмысыда нөлге тең болады. Ал егер болса, бет жел жылдамдығымен көшіріледі. Ол кездеде жұмыс нөлге тең болады, өйткені жұмыс орналасуын қамтамасыз ететін қарсыласу күші жоқ. Бұдан жылдамдық мәні және арасында болатыны көрінеді.
Максимал алу үшін бет мына жылдамдықпен көшірілуі керек:
, (12)
Бет қарсыласу күшімен жұмыс жасағанда жел энергиясын максималды пайдалану коэффициенті .
Қанатты желтурбиналарындағы жел доңғалақтардың жұмысы
Алдыңғы жағдайда қарастырғандай тура соққыға қарсы қанатты жел доңғалақтар жел жылдамдығына бағыттас қанатқа перпендикуляр қозғалатын қисық соққының әсерінен жұмыс істейді. Бұл доңғалақтың құрылысы 6-суретте көрсетілген.
Горизонталь валда зауанауи желтурбиналарында болатын екі және оданда көп қанаттар қыстырылған. Желдоңғалақтың қанаты айналу бұрышын құрайтын а бұлғағышынан және қанатынан тұрады. Бұл бұрышты қанаттың бекітілу бұрышы деп аталады (6-сурет). Осыған орай оның элементтеріне күшімен әсер етіп шабуыл бұрышы деп аталатын бұрышында жылдамдығымен ауа ағыны әсер етеді. және бұрыштары қанаттың эффектісімен анықталады. күшін және күштеріне бөлінеді (7-сурет). күштері жел бағытына қарай қысым көрсетеді, ол қарсы қысым деп аталады. күштері желдоңғалақтың айналу жазықтығында айналу моментін құрайды.
6-сурет. Қанатты желдоңғалақтардың конструкциялық схемасы
7-сурет. а — жел ағыны күшінің қанат элементіндегі әсер ету схемасы; б – ағынға қатысты қанат элементіне әсер ететін желдоңғалақты түрлі радиустарының орналасуының графикалық бейнесі
Доңғалақтардың айналуына әсер ететін максимал күштер шабуыл күштерінің кей мәнінде жәнеде қанат ағынның бетіне қатысты майысу бұрышынан туындайды. Осыған орай желдоңғалақтың айналу өсі элементтерден алшақтаған сайын оны қоршаған жылдамдығы өседі, сондай-ақ қанаттарға әсер ететін ағынға қатысты жылдамдығына өседі. Осымен қатар шабуыл бұрышыда өседі және кей қоршаған жылдамдығында бұрыштық жылдамдық белгісіз болады. Сәйкесінше қанаттың барлық элементтері максимал көтеруші күшке ие болады. Бізге тиімді бұрышы тұрақты болып қалатындай қанаттың әр элементінің бұрышын азайтатын болсақ, онда қанаттың әр элементтері максимал көтеруші күшпен жұмыс істейтін шарт аламыз.
Берілген жылдам қозғалатын, сондай-ақ еніне сәйкес келетін қанаттары сапалы профильді аэродинамикалық бекітілу бұрыштары жоғары коэффициентті жел энергиясын пайдалануға мүмкіндік береді. Жақсы орындалған модельде ол 46%-ке қол жеткізеді.
