Вторая жизнь ветряных мельниц
Как возникает ветер?
Рис. 12. Глобальная циркуляции воздуха
1 — холодный воздух опускается; 2 — горячий воздух поднимается
Когда солнце нагревает некоторую часть поверхности Земли интенсивнее, чем окружающие, воздух стремится переместиться. При этом теплые слои поднимаются вверх, а их место занимают более холодные. Такое перемещение воздуха и есть ветер. Крупномасштабная циркуляция воздуха происходит между высокими широтами и экватором. Типичная картина крупномасштабных ветров представлена на рис. 12. В экваториальных областях солнце очень сильно нагревает поверхность Земли. В результате горячий воздух вблизи экватора поднимается вверх и двумя потоками движется в сторону северного и южного полушарий. Охладившись в районе полюсов, воздух опускается вниз, образуя крупно-масштабное циркуляционное течение у поверхности Земли от полюсов к экватору.
Конечно, данное представление о ветрах идеализировано. Вращение Земли, наличие суши и моря, гор и долин, участков суши, покрытых растительностью, и пустынь значительно усложняют картину ветров. Например, па границе между сушей и морем весьма часто дуют ветры. Это связано с тем, что твердая поверхность и вода охлаждаются и нагреваются неодинаково. Днем под лучами солнца суша нагревается быстрее, чем море.
Это приводит к тому, что над теплой сушей к солнечному полудню начинается интенсивный восходящий поток воздуха, а с моря на место поднявшегося теплого воздуха приходит более прохладный. Возникает хорошо известный ветер с моря, известный под названием «бриз».
Ночью суша охлаждается быстрее, чем море, и становится вскоре холоднее моря. Тогда над морем возникает восходящий поток воздуха, и ветер дует теперь в противоположном направлении (рис. 13).
Периодические изменения температуры в прибрежных районах морей и океанов вызывают циркуляцию более крупного масштаба, чем бризы, называемые муссонами. Они делятся на морские и материковые, отличаются, как правило, большими скоростями и в течение ночи меняют свое направление. Аналогичные процессы происходят в гористых местах и в долинах из-за разных уровней нагрева экваториальных зон и полюсов Земли. Характер циркуляции земной атмосферы усложняется вследствие сил инерции, возникающих при вращении Земли. Они вызывают отклонения воздушных течений, образуется множество циркуляций, в большей или меньшей мере взаимодействующих между собой.
Ρис. 13. Возникновение бризов
а — день; б — ночь; 1 — подогретая земля; 2 — охлажденный океан; 3 — охлажденная земля; 4 — подогретый океан
Сила и направление ветра в различных зонах по-разному изменяются в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Так, на экваторе близко к земной поверхности расположена зона с относительно небольшими скоростями ветра, переменного по направлению, а в верхних слоях рождаются достаточно большие по скорости воздушные потоки в восточном направлении. На высоте от 1 до 4 км от поверхности Земли, между 30° северной и южной широт, образуются достаточно равномерные воздушные течения, называемые пассатами. В северном полушарии ближе к поверхности Земли их средняя скорость составляет 7—9 м/с.
Вокруг зоны пониженного давления возникают крупномасштабные циркуляции воздушных масс: в северном полушарии — против направления движения часовой стрелки, а в южном — по направлению ее движения. Из-за наклона на 23,5° оси вращения Земли к плоскости ее движения относительно Солнца происходят сезонные изменения тепловой энергии, получаемой от пего, величина которых зависит от силы и направления ветра над определенной зоной земной поверхности.
На относительно большой высоте над поверхностью Земли (в среднем 8—12 км) в тропосфере возникают достаточно равномерные и мощные воздушные течения, получившие название струйных. Их образование вызвано особенностями высотной атмосферной циркуляции, поэтому характеристики струйных течений существенно отличаются от параметров приземного ветра. Размеры струйных течений в поперечнике достигают 400—600 км, а протяженность — до 1000 км. Обычно они не подвержены большим сезонным изменениям, но могут менять свое расположение по высоте. Над Восточной Сибирью и Чукоткой они, например, иногда опускаются до 3—4 км от поверхности Земли. Скорости воздушных масс в ядре струйного течения составляют 30—80 км/ч, но часто доходят до 200 км/ч.
Тепловая энергия, непрерывно поступающая от солнца, преобразуется в кинетическую энергию движения в атмосфере огромных масс воздуха, циркуляция которых и называется ветром.
Ветер является одним из наиболее мощных энергетических источников и может быть утилизирован в народном хозяйстве в значительно больших масштабах, чем в настоящее время. По ориентировочным оценкам, энергия, которая непрерывно поступает от солнца, превышает 1011 ГВт. Отсюда можно определить годовую выработку энергии ветроагрегатами — 1,18-1013 кВт-ч. Эта величина во много раз превышает количество энергии, потребляемой сегодня в мире (около 3 млрд тут). Ветроэнергетический потенциал приземных слоев атмосферы только над территорией СССР составляет не менее 30 тыс. ТВт-ч/г, что примерно в 1,5 раза больше энергетического потенциала всех рек Советского Союза. Любопытно, что 80% этой энергии сосредоточено на половине площади страны, в зонах, где скорость ветра больше 6—7 м/с. Еще более значительные энергетические запасы сосредоточены на высотах 8—12 км, где скорости ветра весьма постоянны и достигают 20 м/с.
Энергетические установки обычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50—70 м, реже — до 100 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют характеристики движения воздушных потоков именно в этом слое. В дальнейшем, по мере создания соответствующих технических средств, удастся использовать и струйные течения, характерные для тропопаузы.
Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую ценность ветра, является его скорость. В силу ряда метеорологических факторов (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности, количества тепловой энергии, поступающей на Землю, и др.), а также вследствие влияния рельефных условий непрерывная длительность ветра в данной местности, его скорость и направление изменяются по случайному закону.
Поэтому мощность, которую способна выработать ветроустановке в различные периоды времени, можно предсказать с малой вероятностью. В то же время суммарная выработка агрегата, особенно за длительный промежуток времени, рассчитывается с высоким уровнем достоверности, так как средняя скорость ветра и частота распределения скоростей в течение года или сезона изменяются мало.
