Польза от ветра для людей

Наш природный волшебник без рук, без ног ворота отворяет, силен, могуч, гоняет стаи туч. И это только «цветочки»! Потоку воздуха, который постоянно движется параллельно земной поверхности, под силу всё и даже больше. Очень важно, что он представляет собой неиссякаемый источник энергии. Как человек использует ветер? Все уже наверняка догадались, что речь идет именно о нем.

Приносит то прохладу, то тепло

Человек ценит силу ветра с незапамятных времен. Еще до наступления нашей эры природный помощник «гнал» по рекам и морям лодки, качал воду для орошения полей, перемалывал зерна. В итоге совершались географические открытия, колосились угодья, наполнялись мукой закрома.

Однажды человек разумный придумал, как превратить ветер в электрическую энергию, кардинально изменив условия своего существования. Ниже мы подробно поговорим о том, как человек использует ветер, но для начала отдадим должные почести самому «летучему голландцу».

Не будь движения воздуха, жаркие страны превратились бы в адскую сковороду, холодные – заледенели окончательно и бесповоротно. Но наш славный помощник «разбавляет» крайности, принося прохладу и тепло туда, где о них мечтают, как о манне небесной. Ветер, как непослушных барашков, гоняет по небу вечные облака. Так по земному шару распределяются осадки – дождь, снег.

Двусторонняя связь

Как возникает ветер? Земной шар окружает атмосфера – мощный живительный газовый слой (воздух), который имеет вес и давит на поверхность планеты и на все предметы на ней. Это давление распределяется неравномерно, в зависимости от степени прогрева земли солнечными лучами.

«Батарея» литосферы чем-то напоминает квартирную (поймет почти каждый: вверху горячая, внизу холодная, в середине – «так себе»). В глобальном варианте все гораздо сложнее: важен угол наклона потоков тепла от светила (падают ли они прямо или касаются земной поверхности вскользь), а также характер подстилающей поверхности (суша, море, лес, поле, равнина, горы).

Под влиянием двусторонней взаимосвязи «давление-нагрев» воздух обретает знакомые людям черты непостоянства: теплый движется вверх, холодный – вниз. Одновременно «летучий чертенок» шарахается вправо и влево (из области повышенного давления в область пониженного, чем больше разница, тем сильнее ветер). Обсудим, как человек использует ветер, движение воздуха.

Скачок в развитии цивилизации

Говоря научным языком, на Земле непрерывно идут процессы вертикального и горизонтального перемещения воздушных масс. Муссоны, пассаты, бризы (виды ветров) таят много возможностей. Человек понял: грех ими не воспользоваться. И приступил к обузданию непокорного подарка природы – изобрел парус.

Вот пример того, как человек использует ветер, точнее использовал. Древние египтяне вели активную торговлю с соседними государствами. Нил бороздили парусные суда, загруженные товарами и трофеями, к числу которых относились рабы. Можно представить тоскливые взгляды невольников, устремленные в небо. Наполненные ветром огромные плотные куски светлой ткани на мачте казались им черными.

Пользовались парусом жители восточного побережья Средиземного моря финикийцы. «С ветерком» добравшись до места впадения Нила в межматериковую водную жемчужину, они открыли для себя «египетский рынок сбыта» товаров, нашли, что купить у партнеров. Позже могучий «гоняльщик туч» помог представителям Финикии обогнуть Африку. Так постепенно расширялись горизонты развития цивилизации.

Все перемелется

Моря и океаны – главные просторы обитания ветра: «гуляке» есть где разогнаться, куда свернуть. На суше ему тесновато. Но человека разумного этим не напугать: за тысячелетия до наступления новой эры существовали ветряные колеса (главная деталь мельницы). На земном шаре найдутся аэродинамические механизмы для измельчения зерна возрастом в 3000 лет (Александрия).

О том, как люди используют силу ветра, рассказывает богатая мукомольная история человечества. За две сотни лет до н. э. в Персии работали ветряные мельницы с вертикальной осью вращения (в Китае они появились еще раньше). Мы привыкли к изображениям мельницы с крыльями в виде огромного осевого вентилятора. Движение вертикальных лопастей напоминало кружение юлы.

Их делали из камыша, который закрепляли на раме. Мельницу обносили стеной: атмосферный «бродяга» ударялся об нее и «отскакивал» в нужном направлении. При помощи ветряных колес вавилоняне осушали болота (откачивали воду). История хранит сведения о существовании маслобоен, лесопилен, бумагоделен, работающих при помощи ветра. При изучении фактов, как человек использует ветер (движение воздуха), мельница оказывается далеко не «одинокой».

На большом воздушном шаре

Мы уже упоминали, что нагретый воздух устремляется вверх. Осознав это, люди решили использовать это свойство в своих целях: из плотной ткани сшили огромный воздушный шар с отверстием внизу, через которое наполнили его горячим воздухом.

Экспериментаторы братья Монгольфье проделали это в 1783 году. В привязанную к шару корзину посадили домашнюю живность. Первые «шаронавты» – уточка, петушок-золотой гребешок и барашек, некоторое время парили в небесной синеве, после чего благополучно приземлились. Вскоре на шаре стали поднимать в воздух человека. Говоря о том, как человек использует ветер (движение воздуха), воздушный шар обойти вниманием невозможно.

В помощь наблюдателям

Необычные летательные аппараты послужили людям во многих отраслях деятельности. Благодаря им они смогли осматривать окружающие территории с высоты птичьего полета (в военных целях это особенно важно), составлять планы местности. Появились первые воздушные путешественники.

В августе 1887 года русский ученый-химик Дмитрий Менделеев, занимавшийся изучением свойств газов и жидкостей, а также верхних слоев атмосферы, на аэростате, наполненном водородом, поднялся вверх, чтобы наблюдать за солнечным затмением. Дело было в 18 верстах от Клина. Полет шара вызвал огромный интерес у современников.

Летал 53-летний светила науки один. Шар не смог подняться на нужную высоту, но почти на 4 километра (3,8) взмывал. Облака заслоняли солнце, однако Менделеев умудрился частично изучить солнечную корону.

Можно ли управлять ветром?

Воздушный шар управлению человеком не подчиняется, зато полностью послушен ветру. Ученые согласиться с таким положением дел не могли. Они изобрели рычаги управления (руль и гребной винт). Так появились аэростаты. Только воздух свои позиции сдает неохотно. Вот и Менделеева через 100 километров атмосферный «шалун» приземлил там, где Дмитрий Иванович «сесть» и не гадал: в имении писателя Салтыкова–Щедрина, между Калязином и Переславлем-Залесским.

В ходе изучения вопроса, как человек использует ветер (движение воздуха), вентилятор упоминается в таком контексте: будет ли двигаться лодка, если парус наполнить мощным искусственным воздушным потоком? Одни высказывают такое предположение: если вентилятор установлен внизу (т. е. наполняет парус снизу), импульс потока воздуха направляется под углом к горизонту и, отражаясь от паруса, тоже горизонтален, то поплывет. Другие говорят: для однозначного ответа на вопрос нужен эксперимент в идеальных условиях.

Природному «братцу» идеальные условия ни к чему. Он живет себе на просторе, служит людям, время от времени проявляя свой непокорный нрав. Полемизируя на тему «Как человек использует ветер?», люди все чаще говорят о том, что этот дар природы используется недостаточно широко, спектр применения будет расширяться.

Человек часто благодарил ветер за помощь. Ветер надувал паруса, и люди отправлялись в плавание, открывая новые земли, находя новых друзей и торгуя. Ветряные мельницы помогали молоть зерно и орошать поля. Когда-то ветер стал первым стабильным источником энергии, освоенным человеком. В Персии ветряные мельницы применялись уже во II веке до н.э., а в Китае — еще раньше. В России к началу ХХ века были построены и успешно работали более двух с половиной тысяч ветряных мельниц, общей мощностью примерно миллион кВт.

Но стоит ли сегодня возвращаться к хорошо забытому старому? Есть ли смысл использовать силу ветра ради получения электроэнергии? Развитие нашей цивилизации сопровождается увеличением потребностей людей в энергии. Удовлетворение этих потребностей происходит в основном за счет переработки традиционного топлива. Однако его запасы ограничены, а темпы потребления возрастают с каждым днем; это грозит возникновением серьезных энергетических проблем. Но даже, если энергетического кризиса удастся избежать, человечество неизбежно столкнется с тем, что запасы традиционных энергетических ресурсов будут исчерпаны.

От солнца Земля получает 100 000 000 000 мВт энергии в час. Лишь 1-2 процента от этого колоссального количества энергии преобразуется в энергию движения воздушных масс. Иными словами – в ветер.

Энергия ветра огромна, по оценке Всемирной метеорологической организации, составляет 170 триллионов кВтч в год. Эту энергию можно получать не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем – часто меняет направление, исчезает даже в самых ветреных районах земного шара. Но ветер – один из источников энергии, который не иссякнет с течением времени.

В конце 1997 года на третьей Конференции сторон Рамочной конференции ООН по изменению климата (РКИК) в Киото был принят протокол, касающийся обязательств развитых стран и стран с переходной экономикой по ограничению и снижению поступления парниковых газов в атмосферу. Для финансирования проектов и программ создан «Адаптационный фонд Киотского протокола». Европейский Союз, Канада, Норвегия, Швейцария, Новая Зеландия и Исландия обязались платить туда по 410 миллионов долларов США ежегодно. Эти деньги идут и на инвестиции в ветроэнергетику. Необходимо ли это? Безусловно. По некоторым данным, общий объем электроэнергии, который Европа может выработать лишь за счет ветровых электростанций, в пять раз превышает ее сегодняшние потребности. Но главное, что при этом нет расходов на утилизацию отработанного топлива и загрязнения окружающей среды. Сегодня это уже широко налаженный бизнес, свидетельство чему — выпуск специальных сертификатов “зеленой” энергии в Европе. Объем торгов по ним в 2010 году оценивается примерно в 20-30 миллиардов ЕВРО.

Первый ветрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 году. В России в начале 20 века Н.Е. Жуковским была разработана теория ветряного двигателя, которую его ученики расширили и отработали до практического использования. С 1929 по 1936 года в СССР теоретически разработали установки мощностью 1000кВт и 10 000 кВт, а в 1933 году в Крыму устанавливается ВЭС мощностью 100 кВт с диаметром ветроколеса 30 метров.

Дальнейшая разработка мощных ветроэлектростанций в СССР была признана нецелесообразной, поскольку упор был сделан на создание единой энергетической системы, соединившей с помощью высоковольтных линий электропередач мощные гидроэлектростанции в восточной части СССР с потребителями, находящимися, в основном, в западной части страны. В Астрахани, на заводе «Ветроагрегат», был налажен выпуск маломощных (до 16кВт) ветроэлектростанций, предназначенных для приморских и высокогорных поселков, для жителей пустыни и крайнего севера и других удаленных потребителей, т.е. там, где сооружение стационарной системы электроснабжения обошлось бы значительно дороже. Конечно, учитывалось наличие в данной местности устойчивых ветров.

Ветрогенераторы бывают сетевыми, т.е. подключенными к сети энергоснабжения, или автономными. Сетевые ветряки используются в развитых странах, где территория насыщена сетями, в целях ресурсосбережения, то есть экономии топлива. При наличии в каком-то регионе тепловой электростанции, наступает такой момент, когда возросшее потребление электроэнергии требует увеличение производимой ТЭЦ мощности, а возможности для расширения инфраструктуры уже нет. Тогда, включением в сеть определенного количества ветряков, можно достичь увеличения мощности на 10 процентов, а теоретически и на 20 процентов. Но не более, чтобы не испортить качество электроэнергии во всей сети. Для этого и строятся ветровые электростанции. Но даже в Дании – самой передовой стране в ветроэнергетике – использование энергии ветров покрывает лишь 6 процентов от общего потребления электроэнергии. Планируется повысить этот показатель до 10 процентов к 2010 году, а потом довести до теоретически возможных 20 процентов. Но это предел на сегодняшнем уровне развития ветроэнергетики, хотя никто не знает, что станет возможным завтра.

Кроме того, на Западе практикуется подключение к сети ветрогенераторов индивидуальных владельцев. Когда хозяин ветряка отдает в сеть полученную от ветроустановки энергии по счетчику, а по другому счетчику забирает из сети электричество на собственные нужды. Платит же за разницу между показаниями этих двух приборов. Государство активно поддерживает эту практику, но в реальных условиях получить разрешение на подключение к сети ветрогенератора очень сложно. Владельцы ТЭЦ оказывают серьезное сопротивление, затягивая получение разрешения на пол, а то и полтора года, или, под благовидным предлогом, отказывают в нем вовсе. Владельца ТЭЦ тоже можно понять. Если его электростанция работает на 80-90 процентах своей мощности, невыгодно подключать ветряки и упускать часть прибыли.

К тому же, с экологической точки зрения, чистая энергия ветра не такая уж и чистая. Ветрогенератор это все-таки машина, имеющая свои плюсы и минусы. Ветряки, особенно промышленные, большой мощности, шумят, создают низкочастотные колебания, мешают полетам птиц, а также отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.
Возможности быстрого развития ветроэнергетики в условиях недостатка бюджетных средств демонстрирует в последние годы Индия. В 2000 году она вышла на пятое место в мире, обогнав Нидерланды, Италию, Великобританию. Это стало возможным за счет государственного участия в планировании развития ветроэнергетики и создании выгодных условий для вложения средств частных предпринимателей — владельцев новых ВЭС.

В 1992 году в Индии было создано Министерство нетрадиционных источников энергии (МНИЭ), осуществляющее планирование развития отрасли и разработку мер экономического стимулирования для привлечения инвестиций и кредитов. При Министерстве организован фонд субсидирования и выдачи кредитов для строительства объектов ВИЭ. Кредит выдается на шесть лет, с освобождением от выплаты процентов по кредиту на год.

Для объектов ветроэнергетики в стране введены особые льготы, в частности, освобождение от налогов на прибыль первые пять лет после сооружения, освобождение от налогов с продажи, беспошлинный ввоз частей для производства ВЭС и запчастей к ним и другие.
МНИЭ рекомендует создание совместных предприятий в составе частных инвесторов, правительства штата и фонда субсидирования. У совместных предприятий появляются определенные преимущества, например, нет затруднений с арендой земли, созданием инфраструктуры, сооружением линий электропередачи, легче получить кредит на строительство.

Себестоимость вырабатываемой электроэнергии от ВЭС в ряде индийских штатов снизилась до 5-6 цент/кВт•ч. Правительство Индии планирует увеличить долю вырабатываемой энергии от ВЭС в 2010 году до 5 %, а в 2020 году — до 10 %.

В России тоже есть опыт установки сетевых ветрогенераторов, в Калмыкии, за Уралом, на Дальнем Востоке, но не очень удачный. При установке промышленного ветряка проводятся исследования – мониторинг ветров, для правильного определения места размещения и модели ветроустановки. Американская система для проведения таких исследований стоит 4,5 –5 тыс долларов, для установки промышленных ветряков это рентабельно, чтоб не бросать деньги на ветер. А именно это было сделано в указанных регионах. Ветроэнергетику там развивали на первой волне перестройки не очень квалифицированные специалисты, главной задачей которых было получить комиссионные за проданный американский или датский ветрогенератор. А стоят они не дешево.

Так американский ветряк, не самой дорогой фирмы, мощностью 7 кВт имеет цену в 47 600 $, а с доставкой и таможенными пошлинами обойдется в 60 000 $, но ведь его еще нужно установить и обслуживать. Хотя ветряки – техника надежная, он будет работать несколько десятков лет, не требуя угля, мазута, вагонов, железнодорожных путей, погрузок-разгрузок, а главное — не загрязняя окружающую среду. Это подчас в расчет не берется.

Сейчас в Калининградской области проходит эксперимент. На средства гранта правительства Дании там установлено 20 ветряков общей мощностью 5,1 мВт. Планируется увеличить их количество, расположив ВЭС на шельфе Балтийского моря. Оценить результаты будет возможно только через 5 лет. Пока же по расчетам специалистов энергия ветра на порядок дороже получаемой традиционным путем.

Для России наибольший интерес, в настоящее время, представляют автономные ветряки. Это обусловлено тем, что 70% территории России не имеют централизованного энергоснабжения. О каком централизованном энергоснабжении может идти речь, если довольно часто между двумя населёнными пунктами может быть тысяча километров. Даже в Подмосковье есть места, где электроснабжения просто нет. Поэтому во многом ситуацию можно исправить лишь автономными станциями. Автономные ветряки хороши и как резервная система электроснабжения небольших объектов в случае отключения сети, перебоев, обрыва проводов. И потом это удовольствие пока не обложено никакими государственными налогами. В той же Европе подключить автономный ветрогенератор куда дороже, чем сетевой. Правительства считают, что достаточно вкладывают в энергетику средств, чтобы позволять кому-либо не зависеть от государственной системы электроснабжения.

Основным недостатком ветроэлектростанций, на сегодняшний день, является их высокая стоимость, которая определяет высокую цену1 кВтч электроэнергии, полученной от ветрогенератора.

Другим немаловажным минусом является то, что ни одна система альтернативной энергетики не может гарантировать постоянного электроснабжения. Даже если присоединить к ветряку аккумуляторную станцию, она не застрахует нас от штиля задержавшегося на несколько дней. В 30-50-ые годы, когда насыщенность метеорологическими станциями была высокой, были проведены исследования и составлены атласы ветров по всей территории СССР. За 600-1000 рублей можно получить справку о состоянии ветров в вашей местности и знать на что рассчитывать, приобретая ветряк.

Соединение ветрогенератора с бензоагрегатом и аккумуляторной станцией дает весьма экономичную автономную систему электроснабжения. В «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» говорится, что «технический потенциал ВИЭ ( а к ним относятся солнечная, ветровая, гидровлическая, геотермальная, биомасса и низкопотенциальная тепловая энергия разных сред) составляет порядка 4,6 млрд. т. условного топлива в год, то есть в пять раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн. т. условного топлива в год, что немногим более 25% от годового внутрироссийского потребления.

В настоящее время экономический потенциал ВИЭ существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива и удешевлением оборудования возобновляемой энергетики за прошедшие годы. Недооценка роли ветра в энергетике будущего может привести Россию к отставанию в развитии сетевой и автономной ветроэнергетики. Давайте помнить об этом и ветер надует наши паруса.

И.Бикеева по материалам В. Васильева и И. Лобановской. (“Деловой экологический журнал”