Gió là sự chuyển dịch tuần hoàn của không khí trong khí quyển gây ra do sự nung nóng không đều bề mặt Trái Đất bởi Mặt Trời. Trong những điều kiện thuận lợi nhất định có thể sử dụng nguồn năng lượng này phục vụ nền kinh tế quốc dân. Các trạm năng lượng gió thường sử dụng giú trờn độ cao tới (20-70)m so với bề mặt Trái Đất. Vì vậy chúng ta sẽ xem xét đặc tính của gió ở lớp khí quyển này.
Trờn các độ cáo lớn (8-12)km gọi là tầng đối lưu, có gió thường xuyên hơn và gọi là dòng chảy luồng (hay luồng khớ). Giú loại này có vận tốc lớn (25-80m/s). Tiềm năng năng lượng của chúng lớn hơn nhiều. Đặc tính gió ở tầng này khác nhiều so với đặc tính gió trên mặt đất. Song sử dụng gió ở độ cao này gặp phải một khó khăn rất lớn về mặt kỹ thuật khi chuyển tải điện từ độ cao lớn tới mặt đất.
Gió, có thể nói đó là một quá trình địa vật lý rất phức tạp, vì vậy chỉ có thể dự báo sự biến đổi với xác suất nhất định.
Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là vận tốc. Dưới ánh hưởng của hang loạt các yếu tố khí tượng (sự nhiễu loạn khí quyển, sự thay đổi tác động của Mặt Trời và lượng năng lượng nhiệt truyền tới mặt đất…), đồng thời các điều kiận địa hình tại chỗ, tốc độ gió thay đổi cả về giá trị và hướng. Hướng véc tơ vận tốc cho thấy vị trí tính theo góc của nó ứng với hướng được lấy làm gốc tính toán (thường là hướng Bắc).
Để đo vận tốc gió tức thời người ta sử dụng máy đo gió Vinđơ hoặc phong tốc kế (máy đo gió quán tính nhỏ).
Loan
Để đo vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian dài (vài chục giây hay vài phút), người ta sử dụng máy đo giú cỏc dạng khác nhau, chúng có đồng hồ chỉ thị và bộ phận ghi chép đảm bảo lưu giữ vận tốc giú trờn băng.
Sai số đo vận tốc gió bằng phong tốc kế có thể đạt tới 5-7%, vì vậy nếu đòi hỏi độ chớnh xcỏ lớn, ví dụ khi thí nghiệm động cơ gió và mô hình của chúng trong ống khí động, người ta sử dụng ống pitụ nối với áp kế vi lượng.
Trong khi vận tốc tức thời của gió có tác động đáng kể tới động cơ gió và ảnh hưởng tới hệ thống điều chỉnh tự động thì việc sản sinh ra năng lượng lại phụ thuộc trước hết vào vận tốc gió trung bình theo thời gian à diện tích bề mặt bánh công tác động cơ gió (gọi tắt là bánh công tác gió) chiếm chỗ khi quay.
Vận tốc gió trung bình theo thời gian được xác định bằng tỷ số của tổng các giá trị vận tốc gió tức thời đo được Vi với số lần đo n trong khoảng thời gian đo:
, m/s (2.1)
Tương tự thì vận tốc gió trung bình ngày được xác định bằng tỷ lệ tổng vận tốc gió trung bình giờ với thời gian 24 giờ trong ngày. Còn vận tốc gió trung bình năng:
, m/s (2.2)
Tốc độ gió trung bình ở một vùng nhất định được xác định từ các số liệu theo dõi của các trạm khí tượng hoặc của cỏc mỏy thỏm không đặc biệt. Ở phần lớn các trạm khí tượng chỉ số các thiết bị đo vận tốc gió được ghi 6 lần trong một ngày đêm qua 4 giờ mỗi lần. Các chỉ số này cho khả năng nhận được các dữ liệu tương đối chính xác về tốc độ gió theo chu kỳ. Khi đó sự sai lệch với các số liệu tính vận tốc gió trung bình theo giờ không quá 1%.
Tuy nhiên chỉ số của các máy đo giú cũn chịu ảnh hưởng của điều kiện địa hình vĩ mô và vi mô của vùng xung quanh, mức độ che khuất của trạm
Loan
khí tượng. Điều đó cần chú ý khi tính chuyển đổi vận tốc gió đối với mỗi vùng cụ thể, thậm chí khi nó nằm gần trạm khí tượng.
Vận tốc gió trung bình thay đổi đáng kể trong các thời gian khác nhau trong ngỳ, trong cỏc thỏng và cỏc mựa. Do vậy người ta phân biệt diễn biến vận tốc theo ngày, thỏng, mựa đặc trưng cho xu hướng chung thay đổi vận tốc trong các chu kỳ thời gian kể trên.
Giá trị giới hạn của vận tốc giú, cỏc số liệu về cường độ gió và cấu trúc vi mô của dũng khớ trong một khoảng thời gian tương đối ngắn là các đặc tính trạng thái quan trọng cần phải biết khi tính bền tổ máy cũng như khi thiết kế thiết bị tự động điều chỉnh, định hướng…
Mạch động vận tốc gió và năng lượng dũng khớ gây nên bởi đặc tính hình thành cấu trúc của giú, cỏc đặc điểm địa phương và ảnh hưởng của các điều kiện cảnh quan và địa hình. Đặc tính này có ý nghĩa rất quan trọng bởi vì nó thường là nguyên nhân gây hư hỏng của tổ máy. Đặc tính mạch động vận tốc vận tốc được đánh giá bởi gia tốc của dũng khớ, độ kéo dài của cơn gió và sự trùng hợp của các cơn gió trong những điểm khác nhau của bề mặt chứa bánh công tác động cơ gió và hệ số gió giật Kgiật. Hệ số Kgiật là vận tốc gió cực đại Vmax với vận tốc gió trung bình trong một khoảng thời gian (thường không quá 2 phút):
Kgiật=Vmax/ (2.3)
Việc nghiên cứu sự biến đổi của vận tốc gió sẽ thuận lợi hơn nhờ sự phân tích tổng hợp tính quy luật và sự biến đổi ngẫu nhiên cường độ gió trong một khoảng thời gian chọn trước cũng như trên một diện tích (không gian) hữu hạn. Thông thường ở các trạm khí tượng vận tốc gió trung bình được xác định trong khoảng thời gian không dưới 2 phút.
Khi đánh giá xác suất F(V) ta thấy rằng, vận tốc tức thời của gió có thể lớn hơn vận tốc trung bình đo được. Ta hóy tỡm vận tốc tính toán với tiêu chuẩn đảm bảo cho trước:
Loan
(2.4) Trong đó, và là các thông số phụ thuộc vào trạng thái gió và đối với các trạm khí tượng thông thường có giá trị tương ứng bằng 1,3 – 1,5 và 5 – 6,5.
Hệ số gió giật là hàm của một loạt các yếu tố và đối với cỏc vựng địa lý khác nhau, dặc tính của nó thay
đổi trong giới hạn lớn. Các công trình nghiên cứu đã cho thấy rằng, vận tốc gió càng lớn thì giá trị giật cáng nhỏ, mặc dù khi đó sai lệch tuyệt đối của vận tốc so với giá trị trung bình tăng lên.
Sự thay đổi của hệ số giật Kgiật cho trờn hỡnh 2.1 đặc trưng cho mức độ giật của dòng không khí với diện tích tiết diện không lớn và bằng diện tích chiếm chỗ của máy đo gió kiểu cánh.
Từ đồ thị hình 2.1 đường cong 2 ta thấy hệ số Kgiật có giá trị khá lớn. Việc ghi đồng thời vận tốc gió bằng máy đo gió đặt trong mặt phẳng vuông góc với hướng chính của dũng (hỡnh 2.1) cho thấy, độ giật vận tốc nói chung có đặc tính hỗn loạn và ở những điểm khác nhau không trùng nhau về giá trị và hướng. Vì vậy cường độ giật của dòng tiết diện ngang nhỏ. Cường độ giật càng giảm nhiều khi diện tích tiết diện càng lớn. Diễn biến tốc độ gió theo ngỳa ở các điểm nằm cách nhau vài km cho thấy, thậm chí vận tốc gió trung bình theo giờ cũng rất khác nhau. Cường độ gió giật trung bình trong khoảng thời gian T có thể đánh giá bằng biểu thức:
Hình 2.1- Hệ số giật của vận tốc gió; 1.theo số liệu của G. Xaviski; 2.theo số liệu của V. Bolsakov
Loan
(2.5) Trong đó, - vận tốc dòng khi gió giật lấy trung bình ở thời điểm cho trước theo các số liệu đo của một số máy đo.
Khảo sát các đặc tính biến thiên vận tốc gió cho phép đánh giá về sự thay đổi vận tốc gió theo độ cao của lớp khí quyển gần mặt đất chiều dày tới 300m và đánh giá prophin vận tốc gió theo độ cao (khoảng cách từ mặt đất). Bởi vậy vận tốc giú trờn cỏc độ cao lớn thường tăng, còn độ giật của nó và gia tốc dũng khớ sẽ giảm. Gradien vận tốc mùa Hè theo quy luật sẽ nhỏ hơn so với mùa Đông, đó là do đặc tính thay đổi khác nhau của sự chênh lệch độ trong mùa Đông và mùa Hè.
Các kết quả nghiên cứu trực tiếp trong nhiều vùng ở các độ cao khác nhau cho thấy rằng, ở trạng thái đoạn nhiệt của khí quyển, prophin vận tốc gió theo chiều cao tiệm cận tốt quan hệ dạng:
; (2.6)
Hay (2.7)
Trong đó, V – vận tốc gió cần tỡm trờn độ cao h; V1 – vận tốc gió đo được gần mặt đất trên độ cao h1; Ho – chiều cao ở đó vận tốc gió bằng không.
Chiều cao ho thường xem như mức đo độ nhám lớp lót bề mặt và lấy bằng 3,2cm đối với bề mặt được phủ bởi lớp cỏ thấp, 5-7cm đối với bề mặt phủ lớp cỏ cao hơn. Giá trị cực đại của ho: ho=20cm.
Hướng gió thường đóng vai trũ ớt quan trọng hơn khi sử dụng năng lượng gió. Tuy nhiên trong những điều kiện cảnh quan khác nhau, gió với các hướng khác nhau cú cỏc đặc điểm đặc trưng: vận tốc và gió giật lớn hơn hoặc nhỏ hơn. Sự lặp lại của chúng xác định theo biểu đồ gió.
Loan
Biểu đồ cho thấy, số phần trăm của thời gian có hướng cho trước. Gradien vận tốc theo góc có ảnh hưởng đáng kể tới sự làm việc của các cơ cấu điều chỉnh hướng tự động và trọng lượng con quay. Gió giật gây nên bởi cấu trúc rối của dòng chảy ảnh hưởng tới sự làm việc của các hệ thống điều chỉnh tự động tần số quay và thời hạn công suất của bánh công tác gió và đồng thời ảnh hưởng tới sự ổn định của hệ thống.
Năng lượng E của dũng khớ cú tiết diện ngang với diện tích F được xác định theo biểu thức:
, J (2.8)
Hình 2.2- Biến thiên vận tốc gió tại hai điểm ghi đồng thời bằng 2 máy đo gió: