Як функціонує вітроенергетика
Людині, яка спеціально не займалася цим питанням, складно навіть уявити, яка кількість енергії потрапляє на Землю щохвилини і як малу її частину ми використовуємо.
Усі відновлювані джерела енергії, крім приливних та геотермальних, а також усі викопні джерела енергії, мають сонячне походження. Сонце щогодини випромінює на Землю 174 423 000 000 000 кіловат енергії. Іншими словами, Земля отримує від Сонця 174 423 000 000 000 000 Вт енергії щогодини. Близько 2 відсотків сонячної енергії конвертується у вітрову енергію. Це в 100 разів більше, ніж кількість енергії, що перетворюється на біомасу всіх рослин на Землі.
Причини утворення вітру
Тепле повітря, яке легше за холодне, піднімається вгору, на висоту близько 10 кілометрів і починає рухатися до Північного і Південного полюсів. Якби земна куля не оберталася, тепле повітря досягло б полюсів, охолонуло і повернулося на екватор.
У зв'язку з тим, що земна куля обертається, будь-який рух у північній півкулі відхиляється праворуч, якщо ми дивимося на нього з нашої позиції. Відповідно, у південній півкулі відхиляється вліво. Ця викривлююча сила зветься сила Коріоліса, на честь французького математика Густава Коріоліса (1792-1843).
Продемонструємо це на прикладах. Розглянемо червоний конус, що рухається на південь у напрямку своєї вершини. Вгорі бачимо обертання землі, т.к. камера зафіксована на відстані від кулі. Конус рухається прямо до Південного полюса.
Нижче бачимо ту саму ситуацію, але з точки зору камери зафіксованої на кулі.
Розглянемо ту саму ситуацію з боку Північного полюса. Камера зафіксована на кулі і тому обертається все з ним. Уважнопридивившись, Ви бачите, що червоний конус повертає по кривій праворуч від напрямку свого руху. причина, через яку ми бачимо це викривлення в тому, що камера закріплена на кулі.
Нижче Ви бачите, як це виглядає з точки зору камери, зафіксованої поза кулею.
Сила Коріоліса, добре видимий нам феномен. Потяги їдуть на захід швидше, ніж на схід. Русло річки з одного боку глибше, ніж з іншого.
У північній півкулі вітер прагне обертатися проти годинникової стрілки навколо області низького тиску, у південній півкулі навпаки – за годинниковою стрілкою.
Таким чином, нагріте повітря піднімається в екваторіальній ділянці та рухається у бік полюсів у верхніх шарах атмосфери. Близько 30 градусів широти в обох півкулях сила Коріоліса зупиняє подальший рух повітря. На цій широті формується область високого тиску, і повітря починає опускатися вниз. Так як на екваторі формується область низького тиску, рахунок нагрітого повітря, що піднімається вгору, сюди починає перетікати охолоджене повітря з Північного і Південного полюсів.
Маючи на увазі викривальну силу Коріоліса маємо наступну картину основних напрямів вітрів на різних широтах.
Розмір атмосфери значно перебільшений на малюнку вгорі заради наочності. Насправді атмосфера має висоту близько 11 км або 1/1200 діаметра Землі. Верхній шар атмосфери зветься тропосфери і тут формується вся погода і так званий парниковий ефект у тому числі.
Знання основних напрямів вітрів дуже важливо задля правильного розташування вітрових турбін, т.к. вони повинні розташовуватись у місцях з мінімальною кількістю перешкод з боку основних вітрів.
Атмосфера покриває землю дуже тонким шаром.Діаметр земної кулі близько 12 000 км,
верхній шар атмосфери - тропосфера, що лежить на висоті близько 11 км. Для наочності це зображено малюнку праворуч. Протяжність островів близько 300 км, і для порівняння Ви бачите товщину атмосфери над ними. Можна навести інший наочний приклад: якщо уявити Землю як кулі діаметром 1,2 метра, то товщина атмосфери буде 1 мм.
Окрім глобальних вітрів, що формують погоду, для цілей вітроенергетики велике значення має знання місцевих вітрів, які є характерними для кожного регіону.
Земля прогрівається вдень сонцем набагато швидше, ніж море. Тому повітря над нагрітим берегом починає підніматися нагору і як наслідок знижувати атмосферний тиск. В результаті на берег спрямовуються маси прохолодного повітря з боку моря і морський бриз дме доти, доки не зрівняється тиск. З настанням темряви температура берега та моря порівнюється і морський бриз припиняється. Вночі відбувається протилежний процес. Берег остигає набагато швидше, ніж море і тепер над морем формується область низького тиску і вночі починається береговий бриз.
Наочний приклад широкомасштабного морського бризу - мусони Південно-Східної Азії
Інший різновид місцевих вітрів - гірські вітри.
Гірські райони демонструють багато різних варіантів впливу на клімат і зокрема формування місцевих вітрів. Найбільш яскравий приклад - долинний вітер, який формується на південно-орієнтованих схилах (північно-орієнтованих у південній півкулі). Коли повітря біля поверхні схилу нагрівається, щільність його падає і починає підніматися вгору до вершини схилу. Вночі напрям вітру міняється на протилежний. Якщо долина має круті схили, формується т.зв. каньйонний вітер, якийвдень дме вгору долиною, а вночі вниз.
Таким чином, для найбільш ефективного розташування вітроелектростанції необхідно детально вивчити вітрову карту регіону та провести тестування майданчиків шляхом встановлення вимірювальних щогл. Сучасні методи дозволяють проводити безперервний моніторинг вітрової обстановки з усіх майданчиків одночасно з отриманням даних на комп'ютер за допомогою модему.