Энергия ветра

Ветер является огромным потенциальным источником возобновляемой энергии. Ветры генерируются сложными механизмами, включающими вращение Земли, теплоемкость Солнца, охлаждающий эффект океанов и полярных ледяных шапок, температурные градиенты между сушей и морем, а также физическое воздействие гор и других препятствий.

Энергия ветра вырабатывается путем преобразования ветровых потоков в другие виды энергии с помощью ветряных турбин. Турбины извлекают энергию из проходящего воздуха, преобразуя кинетическую энергию от вращательного движения с помощью ротора. Эффективность такого преобразования на любом конкретном объекте обычно измеряется его плотностью энергии или, в качестве альтернативы, коэффициентом мощности. Энергия ветра в основном используется для выработки электроэнергии, как на месте, так и для передачи в сеть. Энергия ветра также используется для перекачки воды из скважин, особенно в сельской местности.

Отрасль ветроэнергетики является самым быстрорастущим возобновляемым источником энергии во многих странах, и ожидается, что она продолжит активно развиваться в период до 2030 года. Производство энергии ветра в основном сосредоточено в Европе и Соединенных Штатах. Однако в Китае и Индии также наблюдается быстрый рост ветроэнергетики.

Мировые ветроэнергетические ресурсы

Мировой ресурс энергии ветра, по оценкам, составляет около одного миллиона ГВт на общую площадь суши. Предполагая, что используется только 1% площади и учитываются более низкие коэффициенты загрузки ветроэлектростанции, потенциал использования энергии ветра будет соответствовать общей мощности по производству электроэнергии во всем мире (WEC 2007).

Наиболее ветреными районами, как правило, являются прибрежные районы континентов в средних и высоких широтах, а также горные районы. К местам с наибольшим потенциалом использования энергии ветра относятся западные ветровые пояса между 35? и 50?. Сюда входят прибрежные районы западной и южной Австралии, Новой Зеландии, южной части Южной Америки и Южной Африки в южном полушарии, северная и Западная Европа, а также северо-восточное и западное побережья Канады и Соединенных Штатов. Эти регионы, как правило, характеризуются высокими, относительно постоянными ветровыми условиями, средняя скорость которых превышает 6 метров в секунду (м/с), а местами и более 9 м/с.

Регионы с высоким потенциалом использования энергии ветра характеризуются:

• высокие средние скорости ветра;
• ветры, которые либо постоянны, либо совпадают с периодами пикового потребления энергии (днем или вечером);
• близость к региону с основным потреблением энергии (например, городским/промышленным районам); и
• ровный ландшафт, который увеличивает скорость ветра и снижает механическую нагрузку на компоненты ветряных турбин, возникающую в результате переменных и турбулентных ветровых условий, связанных с неровным ландшафтом.

Из-за изменчивости ветра плотность энергии на потенциальном объекте, которую обычно называют коэффициентом мощности, обычно находится в диапазоне 20-40 процентов. В то время как большинство районов, удобных для передачи электроэнергии в сеть, расположены на суше, морские объекты также были определены как обладающие значительным потенциалом для использования энергии ветра, как для использования преимуществ повышенной скорости ветра, так и для увеличения количества доступных объектов. Расположение на шельфе также помогает снизить турбулентность и, следовательно, нагрузку на компоненты оборудования. Ветряные турбины уже более десяти лет используются на мелководных морях у берегов Северной Европы. Ожидается, что морские объекты будут вносить все более значительный вклад в производство электроэнергии в некоторых странах, особенно в Европе, где все чаще возникают трудности с получением доступа к наземным объектам.

Ветроэнергетические ресурсы Австралии

Австралия обладает одними из лучших ветровых ресурсов в мире. Ветроэнергетические ресурсы Австралии расположены в основном в южных районах континента (которые находятся на пути западных ветров, известных как "ревущие 40-е") и достигают максимума в районе Бассова пролива. Наибольший ветровой ресурс образуется при прохождении потоков низкого давления и связанных с ними фронтальных систем, протяженность и влияние которых на север зависит от размера фронтальной системы. Ветры в Северной Австралии в основном формируются системами муссонов и пассатов. Крупномасштабный рельеф, такой как Большой водораздельный хребет в Восточной Австралии, оказывает значительное влияние на направление ветров, направляя их через крупные долины или отклоняя или блокируя их от других районов (Coppin et al., 2003).

Отклонение более слабых фронтов от фронтальной рефракции в районе хребтов Водораздела на юго-востоке Австралии создает ветры с южной составляющей ("южные порывы ветра") вдоль восточного побережья. Помимо особенностей рельефа и низких температур в Северной Австралии, другими важными факторами, влияющими на ветровые ресурсы, являются сезонные и суточные колебания скорости ветра. Зимой и весной ветры сильнее всего дуют в западной и Южной Австралии, но их месячное поведение в разных регионах отличается. Колебания среднемесячной скорости ветра на 15-20% по сравнению с долгосрочным среднегодовым показателем не являются чем-то необычным. В отдельных местах могут наблюдаться аналогичные суточные колебания, с увеличением скорости ветра во второй половине дня (Coppin et al., 2003).

Карты мезомасштаба показывают, что наибольший ветровой потенциал Австралии сосредоточен в прибрежных районах западной, юго-западной, южной и юго-восточной Австралии. Прибрежные районы с высокими ветровыми ресурсами (скорость ветра превышает 7,5 м/с) включают западное побережье к югу от залива Шарк до мыса Левин, вдоль Большой Австралийской бухты и полуострова Эйр в Южной Австралии, западную Викторию и западное побережье Тасмании. Хорошие ветровые ресурсы простираются на сотни километров вглубь страны, и многие австралийские ветряные электростанции (действующие и планируемые) расположены на некотором расстоянии от побережья. Во внутренних районах Западной Австралии, Южной Австралии и Западной Виктории имеются хорошие ветровые ресурсы. Районы с высокой ветроопасностью также расположены вдоль более высоких открытых частей Большого Водораздельного хребта на юго-востоке Австралии, таких как Южное нагорье и районы Новой Англии.

Ветровой атлас Нового Южного Уэльса (Управление по устойчивому энергетическому развитию, Новый Южный Уэльс, 2002) показывает, что районы с наибольшим потенциалом использования энергии ветра расположены вдоль более высоких открытых участков Большого Водораздельного хребта и очень близко к побережью, за исключением тех мест, где есть значительные местные укрытия в виде откосов. Лучшие места выбираются благодаря сочетанию высоты, местного рельефа и ориентации по направлению преобладающего ветра. Примечательно, что на карте показано, что в некоторых внутренних районах средняя скорость ветра сравнима со средней скоростью ветра в прибрежных районах Южной Австралии.

В Атласе ветров штата Виктория (Управление по устойчивой энергетике штата Виктория, 2003) смоделированная средняя скорость ветра составляет 6,5 м/с по всему штату, при этом самые высокие средние скорости ветра (> 7 м/с) наблюдаются в прибрежных, центральных и альпийских районах штата Виктория (рисунок 9.8). В атласе также представлены смоделированные данные о средней скорости ветра в зависимости от права собственности на землю (национальные парки, другие общественные земли и земли, находящиеся в свободном владении), землепользования и близости к электросети. Эффективные ветровые ресурсы определяются как те, которые расположены на коммерчески выгодном расстоянии от электросети. В атласе обозначены коридоры в пределах 10 и 30 км от сети. В нем представлены карты ветровых ресурсов для каждой из областей местного самоуправления в отношении электросети в соответствии с правом собственности на землю.

Местный рельеф и другие особенности местности, такие как неровность поверхности, оказывают существенное влияние на скорость ветра и его изменчивость. Скорость ветра зависит от высоты, формы и неровности местности. Скорость ветра уменьшается по мере того, как поверхность становится все более неровной, но может увеличиваться на крутых холмах, достигая максимума на вершине и затем разделяясь на зоны турбулентного воздушного потока. При оценке ветровых ресурсов необходимо учитывать также тепловые эффекты и образование воронок. Все эти факторы влияют на производственные мощности (Coppin et al., 2003; ESIPC, 2005). Высокие производственные мощности Австралии отражают большой потенциал развития.

Из-за этих факторов карты мезомасштаба, такие как рисунок 9.8, не учитывают мелкомасштабные топографические ускорения потока. В частности, влияние любого топографического объекта размером менее 3 км вряд ли будет учтено. В горной местности топографические ускорения (и замедления) из-за этих мелкомасштабных особенностей обычно превышают 20%. Как таковые, эти карты полезны только для предварительного выбора площадок: детальная оценка ветроэнергетических ресурсов для потенциальных мест размещения ветроэлектростанций требует интеграции высококачественных мониторинговых измерений с микромасштабной моделью ветрового потока, учитывающей влияние рельефа и неровностей местности.