Движущая сила ветра относится к маломощным источникам энергии. Например, по сравнению с потоком воды поток воздуха того же сечения и той же скорости имеет почти в 800 раз меньшую энергию. Величина ветровой энергии очень непостоянна даже на протяжении суток, не говоря уже о продолжительных промежутках времени; и в течение малых промежутков времени ветер дует порывами, которые следуют один за другим через несколько десятков секунд.
Это непостоянство величины и малая мощность снижают энергетическую эффективность ветра. Задача техники — построить такие приемники энергии ветра, которые могли бы ее максимально использовать, имели достаточную прочность и были бы просты в эксплуатации.
Распределение энергетических ресурсов ветра на Украине представлено на рис. 7—10.
Энергия ветрового потока зависит от скорости ветра и плотности воздуха; последняя определяется физическим состоянием и составом воздуха — температурой, давлением, содержанием в нем влаги. Количественное выражение энергии воздушного потока с поперечным сечением 1 м2 при скорости v, м/с, температуре t, давлении В, мм, получаем из таких соображений: тело массой т, которое движется со скоростью v, имеет кинетическую энергию (E):
где т — масса воздуха в объеме с поперечным сечением 1 м2; v — скорость потока, м/с.
Для практических целей формулу можно упростить, принимая давление В близким к 760 мм. Тогда при температуре 0° формула будет иметь вид
Если рассматривать температуру воздуха на территории УССР по сезонам, то можно принять ее равной для зимы —5°, для весны и осени +10° и для лета +20°. Тогда выражение для энергии ветра, если считать давление воздуха близким к 760 мм, при указанных температурах будет соответственно следующим:
Учитывая некоторую неточность при определении скорости ветра по флюгеру или анемометром, считаем, что поправку на температуру можно не вводить и принимать для числового множителя при v3 величину, которая соответствует средней годовой температуре: 5—10°.
Рис. 7. Энергетические ресурсы ветра зимой.
Число часов средней непрерывной продолжительности ветра: 1 — с рабочей скоростью; 2 — с нерабочей скоростью. Повторяемость скоростей ветра по градациям (м/с); 3 — 0 — 1; 4 — 2 — 3; 5 — 4 — 5; 6 — 6 — 7; 7 — 6 — 9; 8 > 10
Рис. 8. Энергетические ресурсы ветра весной (обозначения см. рис. 7)
Рис. 9. Энергетические ресурсы ветра летом (обозначения см. рис. 7).
Рис. 10. Энергетические ресурсы ветра осенью (обозначения см. рис. 7)
Как показывают теоретические исследования, ветродвигатели не могут использовать более 50 % этой энергии, а практически используют 30—40 % в зависимости от качества конструкции, легкости крыльев и др. Остаток энергии расходуется на завихрение потока за крыльями, трение и другие затраты. И все же ветровую энергию (после энергии движущейся воды) следует признать дешевой и выгодной. Там, где ее использование не связано с определенными сроками работы, она представляет собой очень полезный источник энергии и находит широкое применение. Использование ветродвигателей для различных работ в колхозах и совхозах в последние годы учитывается в хозяйственных планах. Причиной недостаточного внедрения ветродвигателей до сих пор было отсутствие их простых и дешевых конструкций. Теперь этому вопросу уделяется достаточно внимания. Разрабатываются соответствующие конструкции ветродвигателей.
Для каждого ветродвигателя существуют свои пределы рабочих скоростей ветра: (а) — слабый ветер, колесо не вертится; (б) — рабочие скорости ветра, при достижении верхнего предела которых двигатель может выйти из строя; (в) — слишком сильный ветер, при котором двигатель отключают во избежание поломок.
Составив карты распределения эффективных скоростей ветра, можно определить, в каких районах наиболее целесообразно устанавливать ветродвигатели того или иного типа. Например, на основании расчетов можно оценить, какую долю суммарной мощности теряет ветродвигатель за счет наличия скоростей ветра меньших нижней границы интервала рабочих скоростей (а) и какую — за счет наличия верхней границы — (в). Если повторяемость скоростей (а) больше (в), то следует рекомендовать устанавливать в данном пункте более легкий ветродвигатель. Наоборот, если потеря мощности двигателя происходит из-за большой повторяемости скоростей ветра предела (в), то рационально в таком пункте использовать более тяжелый ветродвигатель. Мощность ветродвигателя пропорциональна кубу скорости ветра, которая в приземном слое атмосферы изменяется с высотой по логарифмическому закону. Увеличение высоты приемной части ветродвигателя могло бы заметно увеличить его мощность. Так, повышение уровня установки с 10 до 15 м при шероховатости подстилающей поверхности z=1 см привело бы к повышению мощности на 80 %, а при z=10 см на 30 %. Над территорией Украины действию ветра почти нет препятствий, кроме района Карпат и Крымских гор. Временами территория поражается засухами, особенно степная полоса. Она и представляет собой территорию возможного максимального внедрения ветродвигателей для выполнения в сельскохозяйственном секторе большого числа дополнительных работ, таких как общее водообеспечение, орошение полей, осушение болот, изготовление твердых и мягких кормов, местный помол зерна, наконец, зарядка аккумуляторов и других работ. Не следует забывать, что каждый ветродвигатель, вырабатывая электроэнергию, тем самым освобождает в колхозе или совхозе много рабочих рук, экономит топливо, сохраняет чистоту окружающей среды.
Для характеристики эффективности ветровой энергии на Украине можно привести сравнительные данные о средних годовых скоростях (на высоте 15 м) ветра в различных частях СССР (по Н. А. Красовскому).
По нашим данным, рассчитанным для Украины (м/с)
Причерноморье 5,6
Степь 4,5
Донбасс 5,0
Лесостепь 4,0
Полесье 3,0—4,0
Судя по средним скоростям ветра, ветроэнергетичность причерноморской и всей степной зоны УССР занимает далеко не последнее место в Союзе. Чтобы выяснить возможность использования ветра на Украине, анализировались наблюдения 50 метеорологических станций за 16 лет (1966—1982 гг.). Можно спорить (и это делается многими, иногда не без оснований) о возможности использования обыкновенных флюгерных наблюдений для расчета ветроэнергетических ресурсов. Можно указывать на неоднородность установок, ненадежность наблюдений, особенно в темную часть суток, разную высоту флюгеров и некоторые другие особенности. Но более простого способа нет. Можно указать на выбор ветромерных станций с тем, чтобы по возможности избежать указанных недостатков и получить репрезентативные результаты. Мы выбирали станции, расположенные преимущественно на равнине и по возможности открытые, незащищенные растительностью, холмами или высокими постройками. Задача поставлена такая: определить, насколько отдельные районы Украины рентабельны в использовании энергии ветра. Рабочими считались скорости ветра от 3 до 10 м/с.
Заводские ветродвигатели, правда, начинают работать при скорости ветра около 4 м/с, но когда по флюгеру отмечается 3 м/с, учитывая увеличение скорости ветра с высотой и большую открытость ветродвигателя, можно считать, что на уровне лопастей скорость ветра будет не менее 4 м/с. Продолжительность работы ветродвигателей в разных частях Украины и в разные месяцы составляет от 65 до 80 % дней, т. е. от 500 до 600 ч в месяц, или от 5700 до 7000 ч в год.
Таким образом, простои ветродвигателя из-за слабых ветров должны составлять в отдельные месяцы и в отдельных районах Украины от 120 до 200 ч за месяц (5— 10 дней). Но никогда не бывает, чтобы ветродвигатель не работал подряд указанное число дней; перерывы ограничиваются или частью суток (летом ночью) или продолжаются не больше 1—2 и очень редко 3—4 дней подряд (например, зимой при антициклональной погоде и устойчивых температурных инверсиях, когда вертикальный обмен воздуха ослабевает). Для таких периодов в наличии должен быть, как мы уже отмечали, определенный запас энергии—«запасной блок», расчет которого нетрудно сделать на основании данных о продолжительности и частоте слабых ветров.
Можно заметить определенную закономерность в возможности использования ветра на территории Украины. В январе, например, максимум времени возможного использования энергии ветра наблюдается в приморской зоне, южной Степи и в Донбассе, где продолжительность работы ветродвигателя может достигать, а возможно и превосходить 24 дня, т. е. почти 600 ч в месяц. Эти районы, а также горные районы Карпат и Крыма характеризуются и более высокими средними скоростями ветра по сравнению с другими районами УССР.
Наименьшая ветровая эффективность приходится на среднее течение Днепра и северо-западную часть УССР. В этих районах продолжительность ветров, которые в состоянии вращать крылья ветродвигателя, в среднем не превышают в январе 500 ч, или 21 день.
В апреле—июле атмосферная циркуляция немного ослабевает, но вся степная зона находится в области повышенной ветроэффективности. В Причерноморье возможно не менее 22 рабочих дней, т. е. около 550 ч за месяц; столько же на Полтавщине; меньше рабочих дней на остальной территории Украины.
В октябре интенсивность циркуляции атмосферы увеличивается и энергетическая эффективность ветра приближается к январской.
Подсчет дней со скоростями ветра > 5 м/с и продолжительности действия такого ветра показали, что в приморской зоне Украины, Донбассе и южной части Степи можно иметь от 180 до 200 полных рабочих дней, т. е. ветродвигатель может работать полгода, а то и больше.
С продвижением на северо-запад, к Полесью, число таких дней постепенно уменьшается до одной трети года. Следует отметить, что в степной зоне Левобережья и Донбассе в отдельные годы наблюдаются ветры разрушительной силы, иногда значительной продолжительности. За 16 лет (1966—1982 гг.) такой случай наблюдался в феврале 1981 г., когда в Донбассе и Приазовье средняя месячная скорость ветра достигала 15 м/с. В это же время на Правобережье и в Полесье средние скорости ветра были от 4 до 6 м/с.
В суточном ходе наибольшие скорости ветра отмечаются в 13—14 ч. В январе наибольшие скорости ветра в 13 ч отмечаются в Причерноморье, где они достигают и превышают 6 м/с; на северо-западе и западе Украины скорости ветра уменьшаются до 4 м/с и менее.
В июле, в связи с летним ослаблением интенсивности атмосферной циркуляции, средняя скорость ветра уменьшается на 0,5—1,0 м/с. Общее распределение скоростей сохраняется таким же, как в январе.
Соответственно средним скоростям ветра распределяется и количество энергии, которое может быть получено с помощью ветродвигателей. Так, в районе Донбасса и Причерноморской низменности запасы ветровой энергии исчисляются 2—2,5 тыс. кВт-ч на квадратный метр обдуваемой площади. В Полесье и на Волыно-Подольском плато они не превышают 1—1,2 тыс. кВт-ч.
Использование энергии ветра в Советском Союзе в промышленных масштабах только начинается. Строительство ветросиловых установок признано перспективным направлением развития местной энергетики. Но до сих пор еще не решен вопрос об аккумуляции ветровой энергии, чтобы и в безветренный день установки работали. Как можно заставить работать ветер, если его нет? В какую кладовую отложить запас энергии в момент сильного ветра? Предлагалось использовать ветродвигатель в комплексе с водяной турбиной. В ветренную погоду трудится ветродвигатель; прекращается ветер — начинает работать водяная турбина. Но такое сооружение сложно сконструировать.
Разрабатываются виды и системы аккумуляции ветровой энергии, применяются различные энергетические установки, начинающие работу при небольших скоростях ветра. И если сегодня энергия ветра не может полностью заменить энергию, получаемую при сгорании угля, нефти, газа, горючих сланцев, при расщеплении атомного ядра, управлении термоядерным синтезом, то использование ее в ближайшем будущем должно хотя бы частично перекрыть нарастающий дефицит энергии.
Ветер должен служить верно и каждодневно — вот та задача, над разрешением которой успешно работают ученые и инженеры разных стран. Немало времени прошло, пока поняли природу ветра, изучили его режим в разных уголках земного шара. Этими познаниями мы обязаны науке метеорологии, которая занимается изучением погоды. На земном шаре имеются два мировых центра данных, в которых собираются сведения со всех имеющихся метеорологических станций. Один из них расположен в Обнинске под Москвой, другой — в Вашингтоне. Третий центр организовывается в Мельбурне (Австралия). Роль мировых метеорологических центров в решении проблемы изыскания и использования природных энергетических ресурсов велика и будет возрастать в дальнейшем.
Экономическая эффективность ветродвигателей подчеркнута В. И. Лениным еще в 1918 г. В замечаниях к плану научно-исследовательских работ Академии наук он указывал на необходимость использования ветряных двигателей вообще и в сельском хозяйстве в особенности. Насколько велика энергия ветра, которую можно использовать современными техническими средствами, показывает такой простой расчет. Допустим, что на Украине на каждом квадратном километре установлено 16 ветродвигателей типа Д-18 (ветроколесо диаметром 18 м). В районе, где средняя скорость ветра за год равна 5 м/с, ветроэлектростанция с таким ветродвигателем может дать потребителю 50000 кВт-ч электроэнергии за год. Таким образом, с 1 км2 можно ежегодно получить 800000 кВт-ч электроэнергии. Известно, что для производства 1 кВт-ч энергии необходимо около 0,5 кг топлива. Следовательно, 16 ветродвигателей этого типа могут сэкономить около 400 т топлива за год.
В нашей стране проблемой ветроэнергетики занимается научно-производственное объединение «Ветроэн» (г. Истра, Московская обл.), сотрудники которого разрабатывают проекты и производят небольшие партии ветродвигателей мощностью от 2 до 5 кВт. Эта продукция используется в районах, отдаленных от мест централизованного электроснабжения, со сложными природноклиматическими условиями.
На Украине определенный вклад в решение этой проблемы вносит научно-исследовательcкая база Киевского политехнического института. Она образована для испытания установок, которые используют возобновляемые источники энергии.
Пришло время заняться всеми этими проблемами, подключить все известные источники энергии в энергетический баланс страны.
