Еще одной производной солнечной энергии - помимо круговорота воды в природе - является ветер. Строго говоря, ветер - это атмосферные потоки планетарного масштаба, которые образуются из-за перепадов давления и вращения планеты. А эти перепады, в свою очередь, получаются из-за неравномерного нагрева нашей планеты. Воздух из зоны с бóльшим давлением перемещается в зону с меньшим давлением, так чтобы давления в обеих зона сравнялись. Так и образуется ветер.
Человек издавна использовал ветер: с его помощью крутились колеса мельниц, а парусные суда скользили по морским просторам. Ну а сейчас мы научились использовать энергию ветра и преобразовывать ее в электричество.
Но чтобы понять, сколько такой энергии нам доступно, нужно разобраться с самим ветром: почему он дует (потому ли, что деревья качаются?), и будет ли он дуть всегда.
Система ветров
Все ветра на земле образую так называемую систему ветров. Разберемся, как она выглядит.
Начнем с экватора.
Воздух у поверхности земли в районе экватора сильно нагревается за счет солнечной радиации, его давление падает и – о чудо! – он начинает подниматься вверх. На его место тут же устремляется более холодный воздух с севера или с юга от экватора. Эти постоянные ветры в тропических широтах северного и южного полушарий называются пассаты. Они дуют из поясов около 30° северной и южных широт к экватору, где образуется пояс пониженного давления. Саму циркуляцию воздуха между экватором и этими широтами называют циркуляция или ячейка Хэдли (названа в честь английского метеоролога).
Аналогичная механика наблюдается и у полюсов. Там, из-за более слабого нагрева на самом полюсе и более сильного нагрева уже в районе 60° северной и южной широт происходит циркуляция воздуха. Холодные ветра дуют от полюса к 60-м широтам, где нагреваются и поднимаются вверх, образуя полярную циркуляцию.
Наконец, между полярной циркуляцией и ячейками Хэдли образуется промежуточная циркуляция – как шестеренка – которая называется ячейкой Феррела (названа в честь американского метеоролога). Она находится между 30° и 60° северной и южной широт, а преобладающие поверхностные ветры называются западными ветрами умеренного пояса.
Ну и самое интересно! Поскольку наша планета вращается, это вращение влияет и на движение воздушных масс. Это формально описывается эффектом Кориолиса. Так, вместо того чтобы перемещаться напрямую из области высокого давления в область низкого давления, ветер – из-за вращения земли – как правило, отклоняется вправо от этого направления в Северном полушарии и влево от этого направления в Южном.
На практике же система ветров может меняться по ряду причин. Это связано и с наклоном оси нашей планеты и сменой сезонов (что проявляется в виде тропических ветров другой направленности – муссонов), и из-за образования циклонов и антициклонов.
Но факт остается фактом: атмосфера всегда в движении, и эту колоссальную энергию можно использовать на благо человечества.
Доступная энергия ветра
Считается (см., например, книгу Sustainable Power Generation), что нам доступно около 15 млн тераватт-часов энергии ветра в год. Это тот теоретический потенциал, который ограничен высотами до 100 м над поверхностью суши и воды при всех возможных скоростях ветра. В действительности же он недостижим полностью в ближне- и среднесрочной перспективе.
Как правило, мы ограничены доступной сушей и неглубокими водами океана, где скорость ветра не ниже 7 м/с (это та минимальная скорость ветра, при которой, как правило, ветротурбина начинает выдавать стабильную электроэнергию). В этом случае потенциал снижается уже до 1,5 млн ТВт•ч. И даже этот потенциал завышен – его можно смело поделить на 2 в силу того, что многие районы просто недоступны для строительства.
Таким образом, около 750 тыс ТВт•ч – это тот теоретический потенциал, который, скорее всего, будет нам доступен при нормальном развитии технологии.
Тем не менее, эта цифра является огромной! Если вспомнить, что человечество тратит сейчас 173 тыс ТВт•ч, то запасы энергии ветра превосходят эти затраты более чем в 4 раза.
И эти запасы возобновляемы.