Физика вопроса

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. Энергия, которая непрерывно поступает от Солнца и преобразуется в кинетическую энергию ветровых потоков на Земле, соответствует, по оценкам, суммарной мощности свыше 10 ГВт, но вследствие трения, в основном в атмосфере, а также при контакте с земной и водной поверхностями эта энергия непрерывно рассеивается.

Направление ветра определяется стороной света, откуда дует ветер. Метеоданные о направлении ветра обычно представляют в виде розы ветров (рис. под а), показывающей среднюю скорость ветра в различных направлениях.

На розе ветров вместо средней скорости могут быть показаны для каждого направления распределения ветра по скорости (рис. под б). Информация о направлении ветра чрезвычайно важна, когда ветроустановки размещают в горной местности, вблизи зданий или других ветроустановок, т. е. в тех случаях, когда возможно их затенение при некоторых направлениях ветра.

Зависимость параметров ветра от высоты. Скорости ветра на разных высотах различны, естественно, различны и воздействия ветра на ветроколеса, расположенные на разной высоте. На рисунке показано типичное распределение скорости ветра по высоте z с уровня земли до высоты порядка 100 м. На поверхности земли (z=0) скорость ветра всегда равна нулю. Затем до высоты, равной примерно высоте расположенных в данном месте различных препятствии (зданий, деревьев и т. п.), скорость ветра увеличивается очень сложным образом, при этом его направление может изменяться практически случайно.

Следовательно, ветроколесо должно устанавливаться достаточно высоко над местными препятствиями, чтобы набегающий на него ветровой поток был сильным, однородным и с минимальными флуктуациями скорости и направления, а наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая, куполообразная, ничем не затененная возвышенность. Вообще желательно, чтобы ветроустановка в радиусе нескольких сотен метров была окружена полями или водной поверхностью. Как правило, головки ветроустановок находятся на высоте от 5 до 50 м.

Изменение параметров ветра во времени. При практическом использовании ветроэнергетических установок важно знать не суммарное количество энергии, которое может выработать ветроустановка, например, за год, а ту мощность, которую она может обеспечивать постоянно. При сильном ветре, большем, например, 12 м/с, ветроустановки вырабатывают вполне достаточно электроэнергии, а зачастую ее приходится сбрасывать или запасать. Трудности, естественно, возникают в периоды длительного затишья или слабого ветра. Поэтому для ветроэнергетики является законом считать районы со средней скоростью ветра менее 5 м/с малопригодными для размещения ветроустановок, а со скоростью более 8 м/с - очень хорошими. Но независимо от этого во всех случаях требуется тщательный выбор параметров ветроустановки применительно к местным метеоусловиям.