Так же, как и энергия воды, энергия ветра — солнечного происхождения. Неоднородности нагрева атмосферы вызывают мощные атмосферные течения, суммарная энергия которых весьма велика. Человек начал использовать энергию ветра очень давно. Ветряные мельницы многие столетия составляли неотъемлемую часть сельского пейзажа Европы. По данным мировой метеорологической организации, в Голландии в XVII в. общая мощность ветряных мельниц составляла 50—100 МВт, что, с учетом небольшой численности населения, представляло собой внушительную цифру: 50—100 кВт-ч механической работы на человека в год.
С момента, когда началось активное внедрение электроэнергии, ветряные двигатели стали использоваться для привода электрогенераторов. Крупнейшая по тому времени ветровая электростанция (ВЭС) мощностью 8 кВт была сооружена в Советском Союзе в 1929—1930 гг. в Курске. В 1931 г. ВЭС мощностью 100 кВт была сооружена в Севастополе. В период 1880—1939 гг. в США было построено более 6 млн. малых ветровых электростанций.
Во время второй мировой войны в период нехватки обычных топлив многие страны интенсифицировали работы по использованию энергии ветра, например, в Дании в течение войны ветровые электростанции выработали 10 млн. кВт-ч — более половины всей произведенной за это время в стране электроэнергии.
Крупнейшая в мире ветровая электростанция мощностью 1250 кВт в одном агрегате была построена в 1941 г. в США. Она проработала до 1945 г. в течение 1100 ч.
Каковы же возможности и перспективы использования энергии ветра по современным представлениям? Важнейшей характеристикой, определяющей возможность и целесообразность использования энергии ветра, является его скорость. Известно, что мощность потока воздуха пропорциональна кубу его скорости. Обычно в качестве основной характеристики ветровой энергии используют мощность, переносимую потоком воздуха через 1 м2 площади, перпендикулярной к направлению потока. Эта мощность очень различна для разных территорий, времен года и т. п.; например, для территории Канады в среднем за год она составляет около 500 Вт/м2, Это означает, что если перпендикулярно потоку ветра установить ветряное колесо, лопасти которого ометают площадь в 1 м2, то в среднем за сутки от этого колеса можно получить мощность 500 Вт (в предположении, что к. п. д. колеса равен единице).
Установленная мощность, отнесенная к 1 м2 площади, ометаемой лопастями ветряного колеса, является второй важной характеристикой ветровой энергетической установки. Для того чтобы в расчете на большие скорости ветра получить от данного колеса большую мощность, необходимо установить более мощный электрогенератор. Но тогда эта большая машина за счет неизбежного трения и других потерь при малых скоростях ветра будет работать хуже, таким образом, каждому значению этой величины соответствует некоторая скорость, при которой вырабатываемая мощность окажется максимальной; например, если, установленная мощность выбрана равной 100 Вт/м2, то скорость ветра, соответствующая максимуму мощности, составит около 7,5 м/с, при 1000 Вт/м2 — 16 м/с. Эта же характеристика очень существенна для определения экономической эффективности ветровой установки. Оценки показывают, что ветровая установка может оказаться эффективной при установленной мощности на 1 м2 колеса не меньше 500 Вт/м2.
Третья важная характеристика, определяющая возможности ветровой установки, — число часов в году, в течение которых в данном районе существуют расчетные скорости ветра. Ясно, что чем больше это число, тем экономически выгоднее окажется сооружение ветровой электростанции. По-видимому, 2500 ч в год с устойчивым ветром и необходимой скоростью является той границей, ниже которой сооружать ветровую установку нецелесообразно.
Возможности и масштабы использования ветровых установок определяются тем, что количество ветровой энергии, которую можно получить с единицы земной поверхности, в среднем еще меньше, чем солнечной. Таким образом, решающее значение для определения экономических границ применимости ветровых установок будет иметь их стоимость.
По современным представлениям ветровая установка представляет собой ветряное колесо, установленное достаточно высоко (несколько десятков метров) над землей, поскольку скорость ветра заметно возрастает с высотой. Наряду с традиционным размещением колеса на горизонтальной оси рассматриваются колеса с вертикальной осью. Диаметр колеса в проектных проработках, выполняемых сегодня в различных странах, составляет 30—100 м. Такие большие размеры связаны с желанием получить большую мощность одного агрегата, ибо расчеты показывают, что стоимость электроэнергии, получаемой от ветровой электростанции, существенно уменьшается с ростом мощности.
Если учесть, что к. п. д. ветряного колеса составляет около 35%, то при плотности мощности 500 Вт/м2 колесо диаметром 30 м даст полезную мощность около 100 кВт, а диаметром 100 м — около 1000 кВт.
Ветряное колесо приводит во вращение электрогенератор обычно через передачу, позволяющую повысить частоту вращения. В случае высокоскоростных колес, особенно с вертикальной осью, рассматриваются возможности непосредственного соединения колеса с генератором.
Расчеты показывают, что в большинстве стран ветровые электростанции могли бы обеспечить до 10% всей необходимой электрической мощности, используя для этой цели до 1 % всей территории страны. Существуют некоторые особенности в размещении ветровых установок. Их нельзя располагать ближе друг к другу чем примерно 30 диаметров колеса. При меньших расстояниях они заметно искажают аэродинамику потоков, что приводит к существенному падению полезной мощности.
В связи с непостоянством скорости ветра, а значит и переменностью мощности, вырабатываемой ветровой электростанцией (ВЭС), необходимо иметь возможность сглаживать эти колебания. Простейшее решение состоит в том, чтобы присоединить ВЭС к достаточно емким электрическим сетям. В этом случае колебания мощности ветровой установки не нарушают устойчивости сети и вся выработанная установкой электроэнергия оказывается использованной. Однако такое решение предполагает, что ВЭС расположена достаточно близко (150— 300 км) от мощной линии электропередачи, а это сужает возможный выбор мест расположения ВЭС.
Другой вариант состоит в том, чтобы энергию ветра аккумулировать на месте выработки либо в виде электроэнергии, либо каким-то иным способом (см. гл. 6). В этом случае существует большая свобода выбора мест для ВЭС, в частности, их можно располагать в районах с сильными ветрами, которые обычно мало заселены, а значит, и не имеют развитой сети линий электропередач.
Надежных экономических показателей для предполагаемых больших ВЭС сегодня не существует. Но оценки, приводимые в некоторых проектах, достаточно оптимистичны. Стоимость установленного киловатта оценивается в 100 долларов США, однако при этом следует учитывать необходимость дополнительного резерва мощности и малое число часов использования ВЭС в году.
Создание крупных ВЭС находится сегодня в опытной стадии. В 1976 г. в США в исследовательском центре НАСА введена в действие установка с расчетной мощностью 100 кВт при скорости ветра около 8 м/с. На ближайшее время планируется ввод в действие и более крупных ветровых электростанций.
Наряду с ВЭС сравнительно большой мощности представляют интерес автономные установки мощностью всего в единицы, а иногда и доли киловатта. Такие установки могут использоваться не только для производства электроэнергии, но и для получения механической работы, например для подъема воды из колодцев на отгонных пастбищах.
