Ветер является проявлением движения воздушных масс, вызванного различиями в давлении и температуре в атмосфере. С физической точки зрения, ветер — это поток кинетической энергии воздуха, которую можно преобразовать в механическую и далее в электрическую энергию. Ветроэнергетика изучает законы преобразования энергии ветра и разрабатывает технические методы её эффективного использования.
Воздух, как и любая движущаяся масса, обладает кинетической энергией:
$$ E = \frac{1}{2} m v^2, $$
где m — масса воздуха, а v — скорость его движения. Для практических расчетов используется выражение мощности воздушного потока:
$$ P = \frac{1}{2} \rho A v^3, $$
где ρ — плотность воздуха, A — площадь сечения потока, v — скорость ветра.
Из формулы видно, что мощность зависит от куба скорости ветра, что объясняет критическую важность выбора местности с высокими и устойчивыми ветровыми режимами.
Невозможно извлечь всю кинетическую энергию из воздушного потока, так как тогда движение воздуха полностью остановилось бы. Теоретический предел эффективности преобразования энергии был рассчитан А. Бецем в начале XX века. Согласно закону Беца, максимальная доля извлекаемой энергии равна:
$$ \eta_{max} = \frac{16}{27} \approx 59,3 \%. $$
На практике современные ветрогенераторы достигают коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) порядка 45–50 %.
Энергетический потенциал ветра сильно зависит от климатических и географических условий. Основные факторы:
Современные ветроустановки делятся на две основные группы:
Ключевые элементы турбины:
Работа ветрогенератора базируется на принципах аэродинамики. Лопасти действуют как крыло самолёта: разница давления на разных поверхностях приводит к подъёмной силе, которая вызывает вращение ротора. Эффективность работы зависит от угла атаки, формы профиля лопастей и оптимальной скорости вращения.
Чрезмерное увеличение скорости ветра может привести к разрушению конструкции, поэтому применяются тормозные системы и механизмы поворота лопастей, регулирующие поток.
Ветроустановки сопровождаются побочными физическими явлениями:
Физика окружающей среды рассматривает ветроэнергетику не только как локальный источник энергии, но и как элемент глобальной энергетической системы. Особенности:
Хотя ветроэнергетика считается экологически чистым источником, её воздействие на окружающую среду не полностью нейтрально:
Тем не менее, в сравнении с традиционными тепловыми электростанциями, вклад в загрязнение атмосферы и выбросы парниковых газов минимален.
Ветроэнергетика развивается в направлении увеличения мощности отдельных турбин (до 10–15 МВт), применения морских ветропарков (offshore wind), где скорость ветра стабильнее, а также интеграции систем хранения энергии на основе литий-ионных аккумуляторов и водородных технологий. В перспективе физика ветроэнергетики связывается с исследованиями аэродинамики сверхвысоких роторов, материаловедения (композиты для лопастей) и интеллектуальных систем управления.