Факултет за Електротехника и Информациски Технологии

Појави поврзани со експлоатација на енергијата на ветрот и принципи поврзани со мерења на ветрот Предмет: Основи на ветрогенераторски системи и технологии

Студент Александра Попоска бр. Индекс м251/09

Наставник Проф. Д-р Влатко Стоилков

2

Содржина

Вовед ................................................................................................................................................................. 3

Сонце................................................................................................................................................................. 3

Енергијата на ветрот е добиена од сонцето .............................................................................................. 3

Ветар ................................................................................................................................................................. 4

Приморски ветар ......................................................................................................................................... 5

Планински ветар .......................................................................................................................................... 6

Распределба на ветрот ................................................................................................................................ 6

Турбуленција ................................................................................................................................................ 9

Ефект на забрзување ................................................................................................................................. 10

Ефект на рид ........................................................................................................................................... 10

Ефект на тунел ........................................................................................................................................ 10

Временска варијација ............................................................................................................................... 11

Мерење на ветрот ......................................................................................................................................... 13

Еколошки индикатори ............................................................................................................................... 13

Анемометри ............................................................................................................................................... 15

Ротациони анемометри ............................................................................................................................ 15

Чашковидни ........................................................................................................................................... 15

Пропелерни ............................................................................................................................................ 17

Pressure анемометар ................................................................................................................................. 17

Плоча ....................................................................................................................................................... 18

Цевка ....................................................................................................................................................... 18

Ултразвучни анемометери ........................................................................................................................ 19

Користена литература ................................................................................................................................... 22

3

Вовед Брзината на ветрот е најважен фактор што влијае на процесот на добивање

на електрична енергијата од енергијата на ветрот. Излезната моќност зависи од третиот степен на брзината, па од тука е очигледно дека и минимални промени во брзината на ветрот би резултирале со значајни промени на моќноста.

Затоа што брзината на ветрот значително се разликува на разни локации а со тоа и излезната моќност, првиот чекор во планирањето на еден ветрогенераторски објект е дефинирање на соодветна локација и спроведување низа потребни мерења, како би се утврдил енергетскиот потенцијал на ветрот.

Сонце Сонцето е наша најблиска ѕвезда, и според тоа, посредно или непосредно е

извор на безмалку целокупната енергија на Земјата. Сончевата енергија потекнува од нуклеарна реакција во неговото средиште, каде температурата достигнува и до 15 милиони °C. Се работи за фузија, каде со спојување на водородни атоми настанува хелиум, и се ослободува голема количина енергија. Секоја секунда, на овој начин во хелиум преминуваат околу 600 милиони тони водород, при што маса од околу 4 милиони тони водород се претвара во енергија. Оваа енергија во вид на светлина и топлина се шири низ космосот, па на тој начин мал дел доаѓа и до Земјата. Нуклеарна фузија се одвива на Сонцето околу 5 милиони години, колку што е проценета неговата старост, а според расположливите залихи на водород може да се пресмета дека ќе продолжи уште исто толку години.

Под оптимални услови, на површината на Земјата може да се добие 1kW/m2 инсолација а вистинската вредност зависи од локацијата, годишното време, период од денот, временските услови и.т.н Енергијата на ветрот е добиена од сонцето

Земјата прима околу 1.7*1014 kW од енергијата на сонцето во форма на сончева радијација. Ова зрачење го загрева атмосферскиот воздух. Интензитетот на греењето е најголемо на екваторот (0о географска ширина) кога сончевите зраци паѓаат нормално на површината. Воздухот околу половите станува се помалку загреан, заради заоштрување на аголот помеѓу изложената површина и упадниот зрак на сончевата радијација. Густината на воздухот опаѓа со зголемување на температурата, така, полесниот воздух од екваторот се издигнува во атмосферата на определена надморска височина а потоа се шири наоколу. Ова предизвикува пад на притисокот околу регионот, кој го привлекува поладниот воздух од двата пола кон екваторот. Ова движење на воздухот предизвикува ветар.

Еден до два проценти од вкупната сончева радијација на површината на Земјата се претвара во енергија на ветрот.

4

Ветар Ветрот е стохастичка величина по природа. Брзината и насоката на ветрот во

дадена локација постојано се менуваат со текот на времето. Освен дневни или сезонски варијации, карактеристиките на ветрот се менуваат и од година до година со разлики од 10 па дури и до 30 проценти. Оттука, однесувањето на ветрот за потенцијална локација треба соодветно да се анализира и разбере.

Согледувањето на природата на ветрот е особено важно за дизајнер, за да би можел да ги дизајнира турбината и нејзините компоненти во склад со карактеристиките на ветрот за дадена локација. Слично, проектантот може да ја пресмета расположливата енергијата што би била генерирана при релизација на неговиот проект и воедно да се има претстава за економската исплатливост на проектот само доколку се имаат карактеристиките на ветрот. Просечната брзина на ветрот ни дава прелиминирани наведувања за избор на локација со поволен ветерен потенцијал. пример локација што има добра просечна брзина на ветрот, од минимум 7m/s се очекува да биде погодна за изведба на ветрогенератор.

Сепак, за детално планирање, освен просечната брзина на ветрот, важен параметар се и неговата дистрибуција (зачестеност), и густината на воздухот. Статистичките модели се успешно користени за дефинирање на дистрибуцијата на брзината на ветерот во дадена локација за одреден временски период.

Ветрот кој е предизвикани заради температурните разлики помеѓу екваторот и половите се нарекува геострофичен или глобален ветар. Глобалните ветрови кои не се засегнати од површината на земјата се наоѓаат на повисоки надморски височина. Ротација на земјата води кон еден феномен кој се одвива високо над нејзината површина наречен Кориолисов ефект по познатиот математичар Gustave Gaspard Coriolis. Според него, директното движење на воздушна маса од регион со висок притисок кон регион со низок притисок е пренасочено, како што е прикажано на сликата. Под влијание на Coriolis силите, воздухот се движи скоро паралелно само со екваторот. Така, во северната хемисфера, ветрот тежнее да се изротира во правец на движење на часовата стрелка, додека пак на јужната хемисфера движењето е во спротивна насока од движењето на стрелката.

5

Најкритичен фактор што влијае на производството на електричната енергија

добиена со искористување на енергијата на ветрот е брзината на ветрот. Врз основа на математичката зависност на брзината на ветрот и моќноста, каде моќноста е пропорционална со третиот степен на брзината, дури и минимална промена на брзината може да резултира со значајни промени на моќноста.

Од интерес се промените на брзината и насоката на ветрот во близина на површината и до висини од 100-тина метри над земјата Приморски ветар

Копното и морскиот ветер се пример за локално влијание врз ветрот. Во текот на денот, копното многу побрзо се загрева од морската површина. Како резултат на тоа, воздухот во близина на копното се шири и подигнува, формирајќи притоа регион со низок воздушен притисок. Ова овозможува да се привлече ладниот воздух од морето кон копното. Ова се нарекува морски ветер. Преку ноќта, процесот обратно се одвива, односно копното побрзо се лади. Така, сега ветерот дува од земјата кон морето, и се нарекува копнен ветер.

6

Планински ветар Во текот на денот во планинските долини, воздухот на површината се загрева

и се издигнува помеѓу стрмнините кон врвот на планината. Истиот е заменет со ладен воздух од врвот на планината, што претставува долински ветар. Преку ноќта, текот е од планината кон долината што е познато како планински ветар.

Многу често, овој феномен може да создаде многу јаки воздушни струења, притоа развивајќи моќен ветер. Распределба на ветрот

Распределбата на ветрот претставува промена на брзината или насоката на ветрот со промена на висината над тлото на земјата Промената на брзината на ветрот со висината - вертикална распределба на ветрот, е важен фактор за проценка на продуктивноста на ветерната турбина

Протокот на воздухот над земјата е успоруван заради отпорот на триење на земјината површина. Овој отпор може да биде предизвикан од нерамноста на површината на земјата (орографијата на теренот) или природната вегетација, градежните објекти и останати објекти кои се наоѓаат на земјината површина. На пример, на следната слика е дадена промената на брзината на ветрот во зависност од висината

7

Теоретски, брзината на ветрот непосредно над површината на земјата би

требало да биде нула. Брзината се зголемува со зголемувањето на висината, до некоја одредена висина. Во конкретниот пример, брзината рапидно се зголемува до висина од 30м, над која влијанието на површината на земјата е прилично незначително.

Стапката со која се зголемува брзината на ветрот при промена на висината зависи од нерамноста на теренот. Присуството на богата вегетација, како насади, шуми, грмушки, значително ја намалуваат брзината на ветерот, додека пак рамни и глатки терени немаат големо влијание врз брзината на ветрот. Во основа, колку е поизразена нерамноста на земјиштето, толку повеќе е намалена брзината на ветрот. Нерамноста на површината на земјата (го опишува карактерот на земјината површина) вообичаено се изразува преку класа на нерамност или висина на нерамност. Висината на нерамност е изразена во метри (m) и има вредност блиска до нулата кај морската површина а во центар на град може да достигне дури и вредност 2. Некои покарактеристични вредности се: 0.005 за рамни и мазни терени, 0.025-0.1 за отворени терени насадени со трева, 0.2-0.3 за насади со ниски култури, 0.5-1 за овоштарници и грмушки и од 1 до 2 за шуми, градови итн)

Висината на нерамност е важен фактор кој треба да биде земен предвид при димензионирањето на ветерните полиња. Нека земеме пример со ветерна турбина со дијаметар од 30м и 40м висок столб инсталирани на терен кај кого промената на брзината во зависност од висината е дадена на претходните слики. Врвот на перките, во неговата најниска положба ќе биде 25м над земјата. Соодветно, највисоката положба би била 55м над земјата. Од дијаграмот отчитуваме дека брзините за дадените висини се различни. Од ова произлегува дека, силите кои дејствуваат на перките како и расположивата моќност значително ќе варираат при ротацијата на перките, во зависност од нивната моментална положба. Овој ефект може да се минимизира со зголемување на висината на столбот. Расположивите податоците за ветерот кај метеоролошките станици можат да бидат прибрани од сензори поставени на различни висини. Во поголем број случаеви, податоците се прибираат на секои 10м по препорака на Светската Метеоролошка организација (WMO).

При пресметка на енергијата, се калкулира со расположивата брзината на ветрот при висини еднакви со висината на која е поставен роторот. Податоците прибрани на било која друга висина, можат да бидат искористени за пресметка на сите останати, врз основа на дијаграмот на кој е дадена зависноста на брзината од висината, при позната нерамност на теренот.

Брзината на ветрот во зависност од висината се зголемува по логаритамска карактеристика. Ако постојат податоци за брзината на ветерот на одредена висина Z и висината на нерамнината на тереност е Z0, тогаш брзината на висина ZR може да се пресмета согласно изразот

8

каде што V (ZR) и V(Z) се брзини на ветрот на висина ZR и Z соодветно. Така, ако измерената вредност за брзината на ветрот на висина од 10м е 7м/с и нерамноста на теренот е 0.1, брзината на 40м над земјата би изнесувала 9.1м/с На следната слика се дадени брзините на ветрот за различни висини во однос на брзината на 10м, при различни фактори на нерамност.

Во некои случаи, можеме да имаме податоци од некоја референтна локација

(пр. метеоролошка станица) за конкретна висина. Овие податоци треба да бидат преработени за различна висина при друга локација со сличен ветерен профил меѓутоа со различна нерамност на теренот. Во такви ситуации, може да се претпостави дека брзината на ветрот не се изменува значително поради влијанието на површината на некоја конкретна висина. Како погодна висина може да се усвои висината од 60м над земјата. Така, изразувајќи ја брзината на 60м во однос на референтната локација, се добива каде што ZOR е нерамност на тереност на референтната локација. За втората локација имаме: Со делење на двата последни изрази го добиваме изразот за брзината на било која висина

9

Турбуленција Брзината и насоката на ветерот драстично се менуваат додека поминува

преку нерамни терени и препреки како згради, дрвја, карпи и др. Ова се должи на турбуленцијата создадена при струењето на ветерот. Се разликуваат два вида на турбуленции – турбуленции во хоризонтален правец и турбуленции во вертикален правец.

Присуството на турбуленциите во текот на движењето на ветрот не само што ја намалуваат расположивата моќност, туку предизвикуваат зголемен додатен товар на турбината.

Интензитетот на турбуленција зависи од големината и обликот на пречката. Врз основа на нејзината природа, турбулентна зона може да се прошири до 2 пати од висината на пречка во спротивна насока од струењето на ветерот страна, додека пак во правец на ветрот може да достигне и висина од 10 до 20 поголема од висината на пречката. Нејзиното влијание во вертикална насока може да се достигне и до 2 до 3 пати повеќе од висината на пречката.

Оттука, при анализата на енергетската ефикасност на ветрогенераторите, пречките кои се присутни во блиската област треба да бидат земени во предвид. Столбот на кој ќе биде поставена турбината треба да биде доволно висок за да се надмине влијанието на зоните на турбуленција.

Степенот на турбуленција во насока на струење на ветерот и спротивно од неа е прикажан на следната слика.

Турбуленција предизвикана од пречки во насока на движењето на ветрот.

10

Ефект на забрзување

Ефект на рид

Мазни гребени, како што е прикажано во сликата, предизвикуваат забрзување на протокот на ветерот што минува преку него – ефект на рид.

Забрзувањето е предизвикано од стиснувањето на слоевите на ветрот над планината како што е прикажано на сликата. Степенот на забрзување зависи од обликот на гребенот. Овој ефект може целосно да биде исползуван при експлоатацијата на енергијата на ветрот, доколку косината на гребенот е помеѓу 6o и 16o . Агли поголеми од 27o и помали од 3о не се претпочитаат.

Друг важен фактор е и ориентацијата на гребен. Ефектот на забрзување е поголем, кога преовладувачкиот ветер е нормален на линијата на гребенот и обратно, кога преовладувачкиот ветер е паралелен со линијата на гребенот, ефектот на забрзување е низок. Слично, ако гребенот има испакната страна која е изложена на дејството на ветрот, ефектот е уште поизразен. Триаголниот облик на гребените нуди подобро забрзување, додека пак рамните врвови на гребените може да претставуваат додатен проблем заради турбуленциите кои се јавуваат, особено во долниот регионот.

Ефект на тунел

Планинските премини се друга географска карактеристика што предизвикува забрзување на ветрот. Додека ветерот поминува низ засеците во планинските препреки, поради ефектот на тунел, брзина на ветрот е зголемена. Геометриската

11

конфигурација (ширина, должина, косина и др) на преминот, е основен фактор за одредување на степенот на оваа забрзување. Преминот помеѓу два високи ридови, ориентирани паралелно со насоката на ветерот, е прилично добар избор на терен за поставување на ветерни турбини. Што помазна е изложената површината, степенот на забрзување ќе биде поголем.

Временска варијација

Брзината и насоката на ветерот драстично брзо се менуваат со текот на времето. Во склад со овие промени, моќта и кинетичката енергијата на ветрот кои се користат при експлоатацијата, исто така се разликуваат. Варијациите можат да бидат: краткотрајни, дневни (ден-ноќ) варијација и сезонски варијации.

12

Временска варијација на брзината на ветрот

Еден пример за временски краткотрајна варијација на брзината на ветерот е прикажан во претходната слика (А), каде што е извршено снимање на брзината за период од 30с. Во овој временски период, варијацијата на брзината се движи помеѓу 5.1 m / s до 7,2 m / s. Овие краток опфатени промена во брзината на ветерот се должат на локалната географија на теренот и временските ефекти.

Ветерот преку ден може да биде посилен отколку во ноќните часови. Ова се нарекува како еднодневна варијација. Еден пример е илустрирано на сл.Б. Тука главната причина за варијација на брзина е во температурните разлики помеѓу морето и површината на земјата. Треба да се напомене дека еднодневната варијација може да бидат предност при конверзија на енергијата, доколку ни треба повеќе енергија во текот на денот отколку во текот на ноќта. Овие варијации се карактеристични за сите локации, и во основа ветровитоста е поизразена преку ден.

Брзина на ветерот на одредена локација исто така може да се менува од сезона до сезона како што е прикажано на сл.В. Во овој случај, периодот јули-октомври е подобар од аспект на константност на брзината на движење на ветерот. Основната причина за сезонските варијации се должи на промената на времетраењето на денот во текот на годината предизвикани од земјиното закосување и елиптичноста на орбитата. Овој ефект е повеќе истакнат во близина на половите.

Познавањето на временските варијации на брзината на ветерот околу потенцијален терен е од суштинско значење за да се обезбеди дека расположивоста на моќта ќе одговари на потребите од истата.

13

Мерење на ветрот Прецизното познавање на карактеристиките на ветрот на потенцијалните

локации е од суштинско значење за успешно планирање и имплементирање на проекти за искористување на енергијата на ветерот. Основните информации потребни за таквата анализа се брзината и насоката на ветерот што преовладува во различни временски периоди и густината на околниот воздух. Еколошките фактори често можат да бидат корисни во утврдувањето на потенцијалните локации за изградба на постројки за искористување за силата на ветерот. Податоците за ветерните карактеристики прибрани од метеоролошките станици може да ни укажат на ветерната расположивост за конкретен теренски простор. Сепак, за прецизна анализа, брзината на ветрот и неговата насока за конкретен терен треба да се измерат со помош на точни и веродостојни инструменти. Еколошки индикатори

Изгледот на околината може да се користи како индикатор за јачината на ветрот што преовладува во една област, односно да ја индицира доминантната насока на ветрот. Во основа тоа се површински деформации на земјиштето поради континуирано дување на силен ветар. Песочните дини се еден таков пример.

Друг начин да се идентификува еден ветровит терен е да се набљудуваат биолошките индикатори. Дрвјата и грмушките се деформираат поради силните ветрови. Интензитетот и природата на деформација зависат од силата и насоката на дување на ветровите. Овој метод е особено погоден за оценување на ветерот кај долини, крајбрежја и планински предели. Класификација на деформацијата на вегетацијата под влијание на ветровите што дуваат во конкретен регион е извршена од страна на Putnam, и според него постојат пет видови на деформации: brushing, flagging, wind throwing, clipping and carpeting.

Wind brushing се индицира со закривување на гранките под дејство на ветрот согласно насоката на дување. Brushing деформацијата е јасно видлива кога лисјата се испаѓани од гранките. Ова укажува на слаб интензитет на ветрот, кој не е погоден (корисен) за конверзија на енергијата на ветрот во електрична.

Кај Flagging деформацијата, гранките во основа се насочени во насоката на дејството на ветрот, со возможни соголувања на гранките кои не се поставени во насоката на дување на ветровите. Опсегот на брзини што кореспондираат на flagging деформацијата се од интерес при конверзија на енергијата на ветрот.

Кај wind throwing деформацијата, стеблото и гранките се изразено наведнати. Ова се случува поради силниот интензитетот на ветерот.

Врз основа на овие деформации, спроред Hewson и Wada, извршена е класификација на интензитетот на ветерот во седум категории, илустрирани според нивното дејство на следната слика. Прикажани се две перспективи: поглед од предната и горната страна на стебло на дрво.

Сепак, треба да се забележи дека степенот на оваа деформација варира од еден до друг вид на дрво. Поради оваа причина, овој метод треба да биде калибриран со собирање на мноштво податоци при подолг временски за одредена сорта дрво. Откако како калибрација е на располагање, брзината на ветрот може да биде директно проценува врз основа на овие биолошки индикатори

14

Постои и така наречен индекс на деформација, кој дава информација за степеност на деформираност на дрвата, кој се пресметува со изразот: D = A/B = C/45°

15

Анемометри Анемометрите се уреди кои се користат за мерење на брзината на ветрот.

Поимот е изведен од грчкиот збор anemos, што значи ветар, и првиот опис за анемометар датира од 1450 година, даден од страна на Leon Battista Alberti.

Анемометрите можат да се поделат во две основни категории: оние што ја мерат брзината на ветерот, и оние кои го мерат притисокот на ветерот, но бидејќи постои тесна врска меѓу притисокот и брзина, еден анемометар наменет за еден параметар ќе даде информации за двата.

Индикаторите за кои беше дискутирано погоре, заедно со податоците за ветрот од метеоролошките станици, може да ни укажат на соодветноста на даден терен за искористувањето на енергијата на ветерот. Сепак, конечниот избор на локацијата треба да се донесе врз основа на извршени мерења. За изведување на мерењето на ветрот се користат анемометри поставени на високи јарболи. Должина на јарболите може да соодветствува со висината на која би била поставена турбината, како би се избегнале понатамошни корекции во брзината на ветерот поради влијанието на површината. Бидејќи излезната моќност на ветрогенераторите е зависна од брзината на ветрот, за мерење на параметрите на ветрот треба да се користат анемометри со висок степен на осетливост, сигурни и правилно калибрирани.

Постојат различни видови на анемометри. Врз основа на принципот на работа, тие можат да се класифицираат како: 1. Ротациони анемометри 2. Pressure type anemometers 3. Термоелектрични анемометри 4. Ултразвучни и ласерски анемометри. Ротациони анемометри

Чашковидни

invented (1846) by Dr. John Thomas Romney Robinson

16

Најчесто употребувани анемометри за мерење на параметрите на ветрот се чашковидните анемометри. Се состојат од три (или четири) подеднакво распоредени чашки, прикачени на централно ротирачка вертикална оска. Вообичаени имаат и ветроказ, кој ја покажува насоката на ветрот. Чашите се полусферични или во конусна форма направени од лесен материјал. Чашковидните анемометри во основа се не многу прецизни инструменти. При мерењета на брзината се јавуваат грешки, но поради нивната ниска цена на чинење (отприлика околу 700USD за квалитетен анемометар), се уште се јавуваат како најчесто користени инструменти.

При движењето, ветерот делува со одредена сила на чашките, дадена со изразот: Каде што CD е коефициентот на притисок (CD не е константна величина и зависи од обликот на изложената површина), А е површината на чашката директно изложена на влијанието на ветрот, ρ a е густината на воздухот и V е брзината на ветрот. (сите освен коефициентот на притисокот, се директно мерливи)

Со зголемувањето на коефициентот на притисокот на ветрот врз конкавната (испакнатата) површина во однос на конвексната (вдлабнатата) површина, чашката се насочува кон ветрот со својата конкавна страна при што ветерот делува на неа со поголема сила. Ова предизвикува чашките да се ротираат околу централната оска. Интензитетот на ротација е директно пропорционален со брзината на ветрот на кој се изложени чашките.

Иако овие анемометри можат да поднесат најразлични сурови средини, тие имаат некои ограничувања. Добро го пратат зголемувањето на брзините на ветрот, меѓутоа по престанокот на дејството на ветрот, нивната брзина бавно се намалува. Поради ваквиот начин на реагирање на промените на брзината на ветрот, податоците прибрани од нив во време на јак налет на ветар, не се релевантни.

Од изразот за силата на ветрот се гледа дека таа е зависна од густината на воздухот, па од тука, промените во густината на воздухот ќе влијаат на точноста на измерените вредности за брзината на ветрот. Но и покрај ваквите ограничувања,

17

чашковидните анемометри се најшироко употребувани инструменти за мерење на брзината на ветрот.

Пропелерни

Пропелерните типови на анемометри се состојат од четири перки – пропелери поставени на оска. Перките се направени од лесен материјал како што се алуминиум или carbon fiber thermo plastic (CFT).

Овие уреди работат на принцип на потисна сила. Со струење на ветрот по оска паралелена со оската на пропелерниот анемометар, перките се изложени на потисна сила која ги задвижува со брзина пропорционална на брзината на ветрот. За мерење на хоризонталната и вертикалната компонента на ветерот, можат да се постават три анемометри, фиксирани на заедничка оска. Промената во насоката на ветрот пропелерната оска ја следи по косинусен закон. Ова значи дека резултантната брзината со која ветрот делува нормало на пропелерната оска има вредност нула. Pressure анемометар

Првиот измислен анемометар е Pressure анемометар, од страна на Леон Батиста Алберти уште во 1450 година, а подоцна разработен од Robert Hooke (1664) и Rojer Pickering (1744).

18

Плоча

Се состои од плоча која само од едната страна е прикачена на хоризонтална

потпора, и како таква е прицврстена на вертикална оска околу која хоризонталната потпора може слободно да се движи. Спротивно од плочата се наоѓа ветерна перка која ја насочува плочата секогаш во нормален правец на насоката на ветрот Од причина што коефициентот на притисок е константа која е во функција од обликот на изложената површина (од изразот за силата на ветрот), притисокот на кој е изложена плочата под дејство на силата на ветрот е дадена со равенството:

P= ρа V2

Pressure plate anemometers се наменети за мерење на по бурни ветрови.

Цевка

Друг претставник од групата на анемометри кои го мерат притисокот на ветрот

за добивање на брзината на ветрот е Pressure tube anemometer. Тоа е анемометар која се состои од едноставна цевка во U профил, која содржи течност и со едниот крај свиткана во хоризонтална насока да се соочи со ветерот. Ако ветрот дува во устината на цевката тоа предизвикува зголемување на

19

притисокот внатре и истовремено се разбира еднакво зголемување во сите затворени садови, со кои устината на цевката е во херметичка комуникација.

Дадени се две цевки како што е прикажано на Сл. 3.10.

Притисокот во цевката е збир од атмосферскиот притиок и притисокот на ветрот: P1= PA + C1 ρа V2

Слично, во цевка нормална на правецот на ветерот, притисокот е P2= PA – C2 ρа V2

каде што PА е атмосферскиот притисок, C1и C2 се константи. Со одземање на P2 од P1 и со замена, за брзината V се добива:

Така, преку мерење на разликата во притисоците во внатрешноста на две цевки може да биде пресметана брзина на ветерот. Вредноста на C1 и C2 можат да бидат измерени преку инструмент.

Притисокот се мери со стандарден манометар. Најголемата предност на pressure tube anemometer е во тоа што немаат подвижни делови, и како такви тие се помалку чувствителни на мрзнење. Имаат ограничена употреба од причина што не можат да се користат на места каде има присуство на прашина, влага и инсекти, затоа што можат да влијаат на нивната точност. Ултразвучни анемометери

20

Ултразвучните анемометри ја мерат брзината и насоката на ветрот преку регистрирање на промените на брзината на звукот во воздухот - фазна изместеност на звучни бранови.

Тие се способни за мерење на брзина на ветар во три правци X(исток-запад), Y(север-југ) и Z(нагоре-надолу). Имаат три краци поставени на заедничка оска, како што е прикажано на сликите. Електронските претварачи поставени на врвот на секој крак емитираат акустични сигнали кои патуваат горе-долу низ воздухот. Брзината на звукот низ воздух што се движи (ветар) и неподвижен воздух е различна. Нека VS е брзина на звук при неподвижен воздух, и V е брзина на ветар. Ако ветерот и звукот се движат во иста насока, за резултантната брзина на звучните бранови (V1) добиваме:

V1 = VS + V Соодветно, ако простирањето на звучните бранови е спротивно од насоката на ветрот, резултантната брзина на звукот (V2) е:

V2 = VS – V Со изразување на брзината V од претходните две равенства добиваме:

V =

Според ова, преку мерење на брзината на звучните бранови помеѓу електронските давачи за време на нејзините патувања, може да се пресмета брзината на ветрот. Ултразвичните анемометри исто така немаат подвижни делови. Тие се доверлири и точни при мерења на брзини на ветер од 0 до 65 m/s. Сепак тие се многу поскапи во однос на останатите типови на анемометри.

Некои останати типови на анемометри се bridled anemometers и анемометери со топлива жица, меѓутоа тие не се употребуваат при мерењето на кинетичката енергија на ветрот.

Bridled anemometers се слични на чашковидните анемометри, но имаат поголем број на чашки (вообичаено 32)

Анемометрите со топлива жица ја регистрираат брзината на ветрот преку температурната разлика на топлите жици поставени нормално на ветрот и во засенета насока на ветрот.

Освен сензори, кои беа споменати погоре во текстот, во останата пропратна опрема при процесот на аквизиција на податоци се јавуваат конвертори, дата логери (уреди за складирање на податоците) и процесорска единица. На пример, чашковидните и пропелерните анемометри придвижуваат мини генератор за конверија на ротационата енергија во електричен сигнал. Излезниот напон на генераторот е директно пропорционален со брзината на ветрот. Со употреба на А/Д конвертор, аналогниот напон може да биде конвертиран во дигитална форма, која понатаму може дополнително да биде обработувана и меморирана преку соодветен систем за обработка на сигнали.

Пример за систем за аквизиција на податоци е даден на сликата, каде што системот е напојуван преку соларен панел.

21

Модерен систем за обработка на податоците добиени од анемометрите вклучува електронски чип кој ги прима моменталните вредности на секои 2-4 секунди, и притоа пресметува просечна вредност за одреден временски период. Стандарден временски интервал за обработка на податоците е 10 минути. Во исто време, се евидентираат и динамичките промени на ветрот, кои се значајни за ветро-енергетските системи.

За да се обезбедат веродостојни податоци, неопходна е периодична калибрација за сите типови на анемометри. Дури и при извршена правилна калибрација на инструментацијата, сепак може да се појават некои грешки во мерењата. Една од возможните причини за појавување на грешка е постоењето на ветерната сенка. Друг проблем може да биде губењето на податоци заради функционални грешки на апаратурата за снимање на податоци.

Квалитетот на податоците измерени со анемометар ќе зависат од карактеристиките на инструментот како што се прецизност, резолуција, чувствителност, грешка, време на одговор, повторливост и сигурност. Прецизност на анемометар е степен на точност со кој се мерат податоците за ветрот. За типичен чашковиден анемометар, прецизноста изнесува ± 0.3 m/s. Резолуција е најмалата промена во брзината на ветерот што може да биде откриена од страна на анемометарот. Чувствителност претставува однос помеѓу излезниот и влезниот сигнал. Грешка е отстапување на покажаната од реалната вредност на брзината. Време на одговор го покажува времето потребно да анемометарот реагира на промената на брзината на ветрот. Повторливост ја покажува блискоста на вредностите добиени од анемометарот при повторување на мерења кои се изведуваат под идентични услови. Сигурноста укажува на веројатноста дека анемометарот успешно работи во рамките на неговиот даден опсег на брзини.

Анемометрите кои се корисат за мерење на параметрите на ветерот треба периодично да бидат проверувани по однос овие својства.

22

Користена литература

Wind Energy, Fundamentals, Resource, Analysis and Economics; Sathyajith Mathew An Introduction to Stand-Alone Wind Energy-Systems; Natural Resources Canada WIND ENERGY Renewable Energy and the Environment http://www.uwsp.edu/geo/faculty/ritter/geog101/textbook/circulation/coriolis_and%20friction.html http://nsidc.org/arcticmet/factors/winds.html http://gotoknow.org/file/chiew-buncha/view/377284 http://www.colorado.edu/geography/class_homepages/geog_3251_sum08/ http://www.house-energy.com/Wind/Location.htm http://www.meted.ucar.edu/fire/s591/climatology/other/gap_winds.htm http://www.wwindea.org/home/images/stories/photogallery/we-worldwide/landscape/Woolnorth_SG_003Trees.jpg