Польза ветра в жизни человека

Одной из острых глобальных проблем в современном мире является загрязнение окружающей среды. Поэтому перед человечеством стоит задача расширения области применения экологически чистых источников энергии. Одним из них является ветер. Как человек использует ветер, рассматривается в статье.

Самый “старый” источник энергии

Ветер – это поступательное движение воздушных масс в горизонтальном направлении. Причиной появления ветра на нашей планете является неравномерный нагрев воздуха в различных ее частях. Так, экваториальные воздушные массы нагреваются сильнее, чем воздух в тропиках, в умеренном и полярном климатических поясах. Поскольку ветер связан с перемещением газовой субстанции, то он представляет собой механическую энергию.

Как человек использует ветер? Следует сказать, что эта энергия применяется с незапамятных времен. Можно привести пример ветряных мельниц, которые мололи зерно или выкачивали большие объемы воды. Согласно данным исторических архивов, первые ветряные мельницы конструировались еще в Персии в VII веке нашей эры. Интересно отметить, что лопасти этих изобретений, в отличие от современных аналогов, располагались горизонтально. Из Персии мельница попала на Ближний Восток и в Китай. В XII веке начали строить первые ветряные мельницы во Франции и Англии. Как уже было сказано, применялись они в основном для перемалывания зерна либо перекачивания воды. Так, известно, что голландцы их использовали для откачивания воды из отвоеванных у океана территорий суши.

Использование энергии ветра также связано с морскими путешествиями прошлых веков, которые были бы невозможны без нее, поскольку до XIX века многие корабли являлись парусными. Здесь стоит привести пример ветров пассатов, которые дуют в западном направлении. Они использовались европейскими державами для путешествия в Южную и Северную Америки через Атлантический океан.

Преимущества и недостатки ветровой энергии

Раскрывая вопрос, как человек использует ветер, следует сказать, что этот энергетический источник обладает рядом преимуществ, которые приводятся ниже:

• Неиссякаемость. Сколько будет светить Солнце над нашей Землей, столько будет на ней ветер. По некоторым оценкам энергия последнего составляет 2% от всего солнечного тепла, которое достигает поверхности земли.
• Экологичность. Использование ветра не подразумевает выброс отравляющих веществ и парниковых газов в атмосферу, как это происходит в случае таких энергетических источников, как нефть или уголь.
• Простота использования. В настоящее время достаточно установить так называемый аэрогенератор, который представляет собой устройство для преобразования механической энергии в электрическую, и ветер можно использовать для различных хозяйственных нужд как крупных предприятий, так и частных домов.

Среди недостатков этого вида энергии можно назвать его непостоянство (ветер может стихать или усиливаться). Кроме того, аэрогенераторы не везде можно установить ввиду климатических особенностей местности.

Как люди используют силу ветра в настоящее время?

Главным образом, современное использования этого экологически чистого источника энергии заключается в создании парков аэрогенераторов, которые выполняют роль электростанций. Коэффициент использования энергии ветра в настоящее время невелик, так, всего 3% мирового потребления электроэнергии вырабатывается аэрогенераторами. Тем не менее, к 2040 году, по оценкам экспертов, эта цифра возрастет до 9% в мире и до 20% в Европе.

Мировым лидером в развитии и распространении систем получения экологически чистой возобновляемой энергии является испанская фирма “Acciona”, которая в 2014 году из ветра выработала 17,5 ГВт*ч электроэнергии, что достаточно для удовлетворения энергетических нужд 5 млн. человек.

В каких странах вырабатывается больше всего ветровой энергии?

Завершая вопрос, как человек использует ветер, следует привести список стран, где она играет важную роль для экономики:

• Китай (138 ГВт);
• США (71 ГВт);
• Германия (44 ГВт);
• Индия (25 ГВт);
• Испания (23 ГВт).

Если же говорить о том, как люди используют силу ветра, относительно их потребностей, то здесь на первые позиции выходят страны Европы. Например, в испанской провинции Наварра 20% потребляемой электроэнергии получают из ветра, в Шлезвиг-Гольштейне (Германия) – 15%. В то же время 10% энергопотребностей всей Дании покрывают парки аэрогенераторов. Правительство Дании планирует увеличить этот процент до 50% к 2030 году.

Ве́тер — поток воздуха, который быстро движется параллельно земной поверхности [1]. На Земле ветер является потоком воздуха, который движется преимущественно в горизонтальном направлении; на других планетах он является потоком свойственных этим планетам атмосферных газов. Сильнейшие ветры Солнечной системы наблюдаются на Нептуне и Сатурне. Солнечный ветер является потоком разрежённых газов от звезды, а планетарный ветер является потоком газов, отвечающих за дегазацию планетарной атмосферы в космическое пространство. Ветры, как правило, классифицируют по масштабам, скорости, видам сил, которые их вызывают, местам распространения и воздействию на окружающую среду.

Ветры классифицируют, в первую очередь, по их силе, продолжительности и направлению. Таким образом, порывами принято считать кратковременные (несколько секунд) и сильные перемещения воздуха. Сильные ветры средней продолжительности (примерно 1 минута) называются шквалами. Названия более продолжительных ветров зависят от силы, например, такими названиями являются бриз, буря, шторм, ураган, тайфун. Продолжительность ветра также сильно варьируется: некоторые грозы могут длиться несколько минут, бриз, который зависит от разницы нагрева особенностей рельефа на протяжении суток, длится несколько часов, глобальные ветры, вызванные сезонными изменениями температуры — муссоны — имеют продолжительность несколько месяцев, тогда как глобальные ветры, вызванные разницей в температуре на разных широтах и силой Кориолиса, дуют постоянно и называются пассаты. Муссоны и пассаты являются ветрами, из которых слагается общая и местная циркуляция атмосферы.

Ветры всегда влияли на человеческую цивилизацию, они вдохновляли на мифологические рассказы, влияли на исторические действия, расширяли диапазон торговли, культурного развития и войн, поставляли энергию для разнообразных механизмов производства энергии и отдыха. Благодаря парусным суднам, которые плыли за счет ветра, впервые появилась возможность преодолевать большие расстояния по морям и океанам. Воздушные шары, которые тоже двигались с помощью ветра, впервые позволили отправляться в воздушные путешествия, а современные летательные аппараты используют ветер для увеличения подъемной силы и экономии топлива. Однако, ветры могут быть и небезопасными, так градиентные колебания ветра могут вызвать потерю контроля над самолетом, быстрые ветры, а также вызванные ими большие волны, на больших водоемах часто приводят к разрушению штучных построек, а в некоторых случаях ветры способны увеличивать масштабы пожара.

Панорама эоловых столбов в национальном парке Брайс каньон (Юта).
Ветры могут влиять и на формирование рельефа, вызывая эоловые отложения, которые формируют различные виды грунтов (например, лёсс) или эрозию. Они могут переносить пески и пыль из пустынь на большие расстояния. Ветры разносят семена растений и помогают передвижению летающих животных, которые приводят к расширению видов на новой территории. Связанные с ветром явления разнообразными способами влияют на живую природу.

Ветер возникает в результате неравномерного распределения атмосферного давления и направлен от зоны высокого давления к зоне низкого давления. Вследствие непрерывного изменения давления во времени и пространстве скорость и направление ветра постоянно меняются. С высотой скорость ветра меняется из-за убывания силы трения.

Для визуальной оценки скорости ветра служит шкала Бофорта. Метеорологическое направление ветра указывается азимутом точки, откуда дует ветер; тогда как аэронавигационное [2] направление ветра — куда дует, таким образом значения различаются на 180°. Многолетние наблюдения за направлением и силой ветра изображают в виде графика — розы ветров.

В ряде случаев важным является не само направление ветра, а положение объекта относительно него.

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”