Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Энергия ветра очень велика. По оценкам Всемирной метеорологической организации запасы энергии ветра составляют 170 трлн. кВт. ч в год. Энергия ветров является одним из наиболее доступных, но и наименее стабильных и концентрированных источников.
Ветер имеет два недостатка:
1) его энергия сильно рассеяна в пространстве
2) часто меняется направление и скорость
Каждая местность характеризуется ветроэнергетическим потенциалом. Он включает в себя различные показатели ветра, которые определяются по результатам многолетних наблюдений. Это среднемесячные и среднегодовые скорости ветра, повторяемость скорости и направления ветра в течение суток, месяца, года, данные о порывистости, затишьях и максимальных значениях скорости ветра, изменения его с высотой и т.п. Достоверность оценки ветрового потенциала местности является одним из главных факторов, определяющих эффективность ветроэнергетической установки (ВЭУ).
Современные ветроэнергетические установки используют ветер приземного слоя атмосферы на высоте 50…70 м, реже до 100 м от поверхности Земли. Для крупных ВЭУ, предназначенных для работы в мощных энергосистемах, среднегодовая скорость ветра на высоте 10 м должна составлять не менее 10 м/с. Лучшим местом для размещения ВЭУ является гладкая, куполообразная, ничем не затененная возвышенность. Желательно, чтобы ВЭУ в радиусе нескольких сотен метров была окружена полями или водной поверхностью, а ветроколесо было установлено достаточно высоко над местными препятствиями, чтобы набегающий на него поток ветра был сильным, однородным с минимальными изменениями скорости и направления. Чаще всего ВЭУ размещают на побережьях, где дуют постоянные и сильные ветра. В последнее время крупные ВЭУ строят в море на расстоянии до 10 км от берега.
Принцип действия всех ветродвигателей одинаков. Ветроколесо с лопастями вращается под действием ветра и передает крутящий момент через систему передач валу генератора, который вырабатывает электроэнергию.
В настоящее время ветроэнергетика является сложившимся направлением энергетики. ВЭУ мощностью от нескольких киловатт до мегаватт производятся в Европе, США и других частях мира. Они используются для производства электроэнергии – как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах. Установленная мощность ветроустановок в мире на начало 2003 года составила 30000 МВт.
Мощность ветроколеса, Вт,
, (3.1)
где Cp – коэффициент мощности, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока; A – ометаемая площадь ветроколеса, м2; ρ – плотность воздуха, кг/м3; u0 – скорость ветра, м/с.
Мощность P пропорциональна ометаемой площади А и кубу скорости u0. Так как мощность значительно зависит от скорости, а скорость ветра непостоянна, то выбор оптимальной конструкции ветроколеса во многом определяется требованиями потребителя энергии.
Максимальная проектная мощность ВЭУ определяется для стандартной скорости ветра, которая равна примерно 12 м/с. Для такой скорости мощность, снимаемая с 1 м2 ометаемой площади, составляет порядка 300 Вт при значениях Cp=0,35…0,45.
В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 25…33 % от проектного значения. Срок службы ВЭУ составляет 15…20 лет, а их стоимость от 1000 до 1500 долл. за 1 кВт проектной мощности.