Энергия ветра. Шкала Бофорта. Перспективы использования ветровой энергии. Влияние ветровых станций на окружающую среду.

Человек начал использовать энергию ветра задолго до изобретения водяного колеса. Ещё 4000 тысячи лет тому назад были известны установки для подачи воды, ветряные мельницы и парусные суда. В Европе ветряные мельницы появились в начале 12 века. Появление паровых машин заставило забыть на длительное время ветряные установки. Кроме того, низкие единичные мощности агрегатов, постоянная их зависимость от погодных условий, а также возможность преобразовывать энергию ветра только в её механическую форму, ограничивали широкое использование этого природного источника.

Следует помнить, что энергия ветра в конечном итоге является результатом тепловых процессов, происходящих в атмосфере планеты. Различная плотность нагретого и холодного воздуха является основной причиной активных процессов перемешивания воздушных масс. Следовательно, первоначальным источником энергии ветра является энергия солнечного излучения, которая высвобождается в одной из своих форм - энергии воздушных течений.

Возрождение интереса к использованию энергии ветра в настоящее время связано с возможностью и определённой целесообразностью преобразовывать её в электроэнергию. Экономически такая целесообразность имеет место при скорости ветра более 5 м/с. И это обстоятельство накладывает существенное ограничение на развитие ветроэнергетики. Местности богатые ветровой энергией, как правило, не нуждаются в электроэнергии в силу отдалённого расположения от промышленных объектов и населённых пунктов. И только в Германии прибрежная зона Северного моря и побережье Тихого океана в США штат Калифорния одновременно удовлетворяют требованиям, как производства, так и потребления электроэнергии, производимой ветроэнергетическими установками (ВЭУ).

Первая в мире ВЭУ с диаметром рабочего колеса 30 м и мощностью 100 кВт была спроектирована и построена в СССР в Крыму в 1931 году. Непосредственное участие в разработке и строительстве первых ВЭУ принимал активное участие Кондратюк Ю. В. (настоящая фамилия Шаргей А. И.), человек очень сложной судьбы и очень талантливый.

Со времени энергетического кризиса 1973-1975 годов в развитие ветровой энергетики были вложены значительные средства. Однако стоимость электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, все еще высока по сравнению с электроэнергией, получаемой на базе органического топлива. Тем не менее, ветровую энергию следует рассматривать, как энергетический ресурс.

ВЭУ предназначены для того, чтобы превращать кинетическую энергию ветра в энергию вращения ротора генератора. Выходная мощность генератора пропорциональна ометаемой площади ветроколеса и скорости ветра в кубе. Поэтому ВЭУ большой мощности в несколько МВт, должны быть по своим габаритам очень крупными, поскольку скорость ветра в среднем не бывает очень большой. Кроме того, электроэнергия начинает вырабатываться тогда, когда дует ветер, а не тогда, когда она необходима. Аккумулировать электроэнергию в больших количествах человечество пока не научилось.

В настоящее время освоено производство ВЭУ мощностью от 100 Вт до нескольких тысяч киловатт. Как в аэродинамическом, так и электротехническом отношении они достаточно совершенны. Однако имеются трудности технического характера при изготовлении ВЭУ: создание новых композитных материалов для крупных установок, лопасти со срывом воздушного потока совершенствование систем преобразования электроэнергии и получения стабильных параметров U и f. Этим объясняется то обстоятельство, что значительная часть фирм, взявшихся за изготовление ВЭУ, были вынуждены отказаться от их производства из-за нерентабельности последнего. Лишь ограниченное число фирм смогли выстоять в этой конкурентной борьбе. Среди изготовителей ВЭУ ведущее положение занимают фирмы Дании.

В настоящее время в мире используется более 17000 ВЭУ различной мощности. Большая их часть установлена в штате Калифорния США. Мощные ВЭУ, а также установки средней мощности, объединенные в "ветровые фермы" могут работать совместно с местными и региональными электросетями, обеспечивая заметную экономию топлива. По данным эксплуатации ВЭУ в Европе и Калифорнии средняя продолжительность их работы в году в расчете на полную мощность составляет максимум 2000 часов.

ВЭУ считаются экологически чистыми источниками энергии. Основывается такое утверждение на том, что они не дают вредных выбросов в атмосферу. Выработка 1 ГВт ч на ВЭУ позволяет снизить выброс двуокиси углерода на 969 т. Однако имеются и отрицательные воздействия.

1. Сильные порывы ветра, ураганы могут привести к разрушению ВЭУ. Наиболее опасной зоной является круг радиуса, равного высоте башни. Если же повреждение установки связано с отрывом лопастей, то радиус опасной зоны возрастает.

2. Вращающиеся лопасти создают помехи телепередачам и радиоприему УКВ в радиусе 3 км.

3. Шум создаваемый ВЭУ средней мощности, слышен на расстоянии более 2 км, а на расстоянии 400 м уровень шума достигает 56 Дб. Опросы населения показывают, что отдельно стоящие ВЭУ воспринимаются достаточно спокойно, но ветровые фермы вызывают у человека определенное раздражение даже при их расположении на морском побережье.

4. Крупномасштабное применение ВЭУ на каком-то ограниченном участке может вызвать глубокие климатические изменения в данном районе.

Одиночная ВЭУ, а тем более ферма, требует подъездных путей, ЛЭП, связь, управление. Поэтому территория, изымается для размещения ВЭУ, оказывается куда более значительной чем, может показаться на первый взгляд.

Причиной возникновения ветров является поглощение земной атмосферой солнечного излучения, приводящее к расширению воздуха и появлению конвективных течений. В глобальном масштабе на эти термические явления накладывается эффект вращения Земли, приводящий к появлению преобладающих направлений ветра. Кроме этих общих, или синоптических, закономерностей многое в этих процессах определяется местными особенностями, обусловленными определенными географическими или экологическими факторами. Скорость ветров увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов (табл. 9.1). Суммарная кинетическая энергия ветров оценивается величиной порядка 0,7 * 10²¹ Дж. Вследствие трения, в основном в атмосфере, а также при контакте с земной и водной поверхностями эта энергия непрерывно рассеивается, при этом рассеиваемая мощность - порядка 1200 ТВт (1,2 *10¹⁵ Вт), что равно примерно 1% поглощенной энергии солнечного излучения.

Таблица 9.1

Сила ветра по шкале Бофорта и ее влияние на ветроустановки и условия их работы