Ветроэнергетика

Ветроэнергетический кадастр

Ветер возникает вследствие неравномерного горизонтального распределения давления, которое, в свою очередь, обусловлено неравенством температур в атмосфере. Под действием перепада давления воздух испытывает ускорение, направленное от высокого давления к низкому. Однако вместе с возникновением движения воздуха на него начинают действовать другие силы: отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса), сила трения, а при криволинейных траекториях и центробежная сила. Ветер характеризуется скоростью и направлением.

К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер. Пассаты образуются в результате нагрева экваториальной части земли. Нагретый воздух поднимается вверх, увлекая за собой воздушные массы с севера и юга. Вращение земли отклоняет потоки воздуха. В результате устанавливаются дующие круглый год с постоянной силой северо-восточный пассат в северном полушарии и юго-восточный — в южном. Сила пассатного ветра обычно составляет 2–3 балла. Западный ветер дует круглый год с запада на восток в полосе от 40 до 60° южной широты вдоль кромки дрейфующих льдов Антарктиды. Сила этого ветра достигает 8–10 баллов и редко бывает менее 5 баллов.

В глубине материка нет постоянного направления ветра. Так как разные участки суши в разное время года нагреваются по-разному, можно говорить только о преимущественном сезонном направлении ветра.

К местным ветрам относятся бризы. Бризы — это легкие ветры, окаймляющие берега материков и больших островов, вызываемые суточными колебаниями температуры. Их периодичность обусловлена различием температур суши и моря днем и ночью. Днем суша нагревается быстрее и сильнее, чем море. Теплый воздух поднимается над береговой полосой, а на его место устремляется прохладный воздух с моря — морской бриз. Ночью берег охлаждается быстрее и сильнее, чем море, поэтому теплый воздух поднимается над морем, а его замещает холодный воздух с суши — береговой бриз.

Вторыми, постоянно дующими ветрами, являются муссоны. Эти ветры дуют в Индийском океане и связаны с сезонным изменением температуры материка и океана. Летом солнечные лучи сильнее нагревают сушу и ветер дует с моря на сушу. Зимой муссон дует с суши на море. Вращение земли вызывает появление сил Кориолиса, которые отклоняют муссоны вправо. Поэтому летом дуют юго-западные муссоны, а зимой — северо-восточные.

Для систематизации характеристик ветровой обстановки в конкретном регионе с целью ее эффективного энергетического использования разрабатывается ветроэнергетический кадастр, представляющий собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих определить его энергетическую ценность, а также оптимальные параметры и режимы работы ветроэнергетических установок.

Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются:

  • среднегодовая скорость ветра, годовой и суточный ход ветра;
  • повторяемость скоростей;
  • максимальная скорость ветра;
  • распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности;
  • удельная мощность и удельная энергия ветра;
  • ветроэнергетические ресурсы региона.

Основной характеристикой ветра является его средняя скорость за определенный период времени (сутки, месяц, год). Средняя скорость ветра определяется как среднеарифметическое значение ряда замеров скорости, сделанных через равные интервалы времени в течение заданного периода. Скорость ветра возрастает с увеличением высоты над поверхностью Земли. Самые мощные и наиболее постоянные потоки ветра находятся на очень большой высоте. Примерно две трети всей ветровой энергии на планете скапливается в верхних слоях тропосферы, далеко за пределами досягаемости современных ветровых электростанций.

Суточный ход средней скорости ветра представляет собой изменение скорости ветра в течение суток, усредненное по всем суткам в определенном месяце по многолетним наблюдениям.

Годовой ход средней скорости ветра — это изменение в течение года многолетней среднемесячной скорости ветра.

При определении ресурсов ветровой энергии учитываются валовый, технический и экономический потенциалы.

Валовый (теоретический) потенциал ветровой энергии региона — это среднемноголетняя суммарная ветровая энергия движения воздушных масс над данной территорией в течение одного года, которая доступна для использования.

Технический потенциал ветровой энергии региона — это суммарная электрическая энергия, которая может быть получена в регионе от использования валового потенциала ветровой энергии при современном уровне развития технических средств и соблюдении экологических ограничений.

Экономический потенциал ветровой энергии региона — это величина годового поступления электрической энергии в регионе от использования ветроэлектрических установок, получение которой экономически оправдано при существующем уровне цен на производство, транспортировку и потребление энергии и топлива и соблюдении экологических норм.

Экономический потенциал ветровой энергии России составляет 10 млн т у. т./год. На рис. 3.7 представлена карта ветроэнергетических ресурсов.

Карта ветроэнергетических ресурсов России
Рис. 3.7. Карта ветроэнергетических ресурсов России. Цифрами обозначены
зоны со среднегодовыми скоростями ветра: 1 — более 5 м/с; 2 — от 3 до 5 м/с; 3 — до 3 м/с

К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю. Эта особенность ветра чрезвычайно важна для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т. п.) районов, удаленных от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 кВт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах.

Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника — непостоянство его скорости, а следовательно, и энергии во времени. Существует опасность нарушения работы общей энергосистемы в том случае, если в ней будет присутствовать значительная доля электроэнергии, получаемой от ВЭС. Нестабильность ветра вынуждает устанавливать резервные источники энергии, которые бы могли в нужный момент компенсировать недостающую часть электроэнергии. В качестве примера такого резерва можно привести газотурбинные электростанции либо аккумуляторы. Все это приводит к повышению стоимости ветровой электроэнергии.