Возобновляемые источники энергии

Введение

Любая деятельность, независимо от её природы, предполагает использование энергии. Нынешняя человеческая деятельность на земле является доказательством того, что люди использовали и используют много энергии. Человек слишком слаб физически, чтобы собственными силами достичь тех результатов, которых достигло человечество в результате своей деятельности. Однако кроме физической силы у людей есть и другие способности. Главная из них – способность мыслить и осуществлять свои замыслы. На протяжении всей истории результатом этого были различные способы использования других энергоисточников, помимо мускульной энергии, для достижения с их помощью желаемых результатов. В настоящее время ежегодно расходуемая всеми странами энергия составляет 0,1% в отношении возможных для использования запасов угля, природного газа и нефти, вместе взятых.

Существуют разные прогнозы, касающиеся будущего наших ресурсов. Разрабатывая такие прогнозы, надо исходить, с одной стороны, из оценки перспектив роста населения и производства соответственно потребности общества, а с другой – из наличия запасов каждого ресурса. Однако прогнозировать современную тенденцию роста населения и производства далеко в будущее было бы рискованно. Кроме того, научно технический прогресс, несомненно, будет продолжаться в направлении поисков более экономных, ресурсосберегающих технологий, что позволит постепенно сокращать потребность во многих природных источниках производства.
Исходя из сказанного, следует ожидать, по крайне мере, в ближайшие десятилетия, дальнейший рост потребностей в самых разнообразных энергетических ресурсах. При оценке их запасов важно различать две большие группы ресурсов – невозобновимые и возобновимые. Первые практически не восполняют, и их количество неуклонно уменьшается по мере использования. Сюда относятся минеральные и земляные ресурсы. Возобновимые ресурсы либо способны к самовоспроизведению (биологические), либо непрерывно поступают к Земле извне (солнечная энергия), либо, находятся в непрерывном круговороте, могут использоваться повторно(вода). Возобновляемые ресурсы — природные ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются, или не зависят от того, используются они или нет.
Разумеется возобновимые ресурсы, как и невозобновимые, не бесконечны, но их возобновляемая часть может постоянно использоваться.
Если обратиться к главным типам мировых природных ресурсов, то в самом общем мы получаем следующую картину. Основным видом энергоресурсов является пока ещё минеральное топливо – нефть, газ, уголь. Эти источники энергии невозобновимы и при нынешнее темпах роста их добычи они могут быть, по мнению учёных, исчерпаны через 80-140 лет.

1 Нетрадиционные источники энергии. 1.1 Солнечная энергияСолнце является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Оно греет всю Землю, приводит в движение реки и сообщает силу ветру. Под его лучами вырастает 1 квадриллион тонн растений, питающих, в свою очередь, 10 триллионов тонн животных и бактерий. Благодаря тому же Солнцу на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа и пр., которые мы сейчас активно сжигаем. Для того чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои потребности в энергоресурсах, требуется в год около 10 миллиардов тонн условного топлива. (Теплота сгорания условного топлива 7 000 ккал/кг). Разведанных мировых запасов угля человечеству хватит на 200 лет, нефти и природного газа – на 36 лет, ядерного топлива – на 40 лет. Солнечная энергия – это наименьшее количество загрязнения для планеты и наиболее неистощимый из всех известных источников энергии. Человечество только начинает выявлять и использовать ее потенциал.
Уже используются солнечные батареи и введены в эксплуатацию гелиоэлектростанции, а это значит найден способ преобразования тепловое и световое излучение солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько её содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлива, а за 1с – 170млрд Дж. Большую часть этой энергии рассеивается или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, в 5000млн.раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые.
Перед конструкторами все еще стоит множество проблем. КПД солнечных элементов пока еще не слишком высок, всего около 20%. В ночное время и даже днем аппарат должен иметь запасы энергии на борту. Если самолет летит выше облаков на небольшой высоте вокруг экватора, он не может всегда находиться в зоне, освещенной Солнцем, потому что Земля вращается быстрее, чем может лететь самолет с электродвигателем, поэтому аппарат, рассчитанный на круглосуточный полет, должен быть гибридным».

1.2 Энергия ветраВетровые установки являются одним из самых перспективных и одновременно экологически чистых способов выработки электроэнергии, с КПД около 59%. Вместе с тем, энергия ветра относится к числу возобновляемых источников энергии. В общих чертах, устройство ветровой электростанции выглядит следующим образом.
Ветер вращает лопасти, а лопасти крутят вал, который соединен с набором зубчатых колес, приводящих в действие электрогенератор. Самая трудная проблема состоит в том, чтобы обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера при разной силе ветра. Для этого угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируется за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии.
Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра. Избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия реализуется за счет запасов воды в верхнем резервуаре, которая набирается в ветреную погоду и стекает в безветренную погоду.
Крупные турбины для электроснабжения могут вырабатывать от 750 киловатт (киловатт = 1 000 ватт) до 1,5 мегаватт (мегаватт = 1 миллиону ватт) электроэнергии. В жилых домах, на телекоммуникационных станциях и в водяных насосах в качестве источника энергии применяются небольшие одиночные ветротурбины мощностью менее 100 киловатт.
Это, прежде всего, характерно для отдаленных районов, в которых отсутствует энергосистемы общего пользования. В ветровых установках группы турбин связаны вместе с целью выработки электроэнергии для энергосистем общего пользования. Электричество подается потребителям посредством линий передач и распределительных линий. Такие станции работают труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах населенных пунктах, где нет поблизости электростанций.

1.3 Энергия приливов и отливовПриливная электростанция (ПЭС) электростанция, преобразующая энергию морских приливов в электрическую. ПЭС использует перепад уровней «полной» и «малой» воды во время прилива и отлива. Перекрыв плотиной, залив или устье впадающей в море (океан) реки (образовав водоём, называют бассейном ПЭС), можно при достаточно высокой амплитуде прилива (> 4 м) создать напор, достаточный для вращения гидротурбин и соединённых с ними гидрогенераторов, размещенных в теле плотины.
При одном бассейне и правильном полусуточном цикле приливов ПЭС может вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4--5 ч с перерывами соответственно 2--1 ч четырежды за сутки (такая ПЭС называется однобассейновой двустороннего действия). Мы знаем, что приливы и отливы обусловлены цикличностью, а значит выработка энергии получается пульсирующей в течение полумесячного периода. Даже использование резервных бассейнов не исключает этой пульсации. Поэтому используют совместную работу ПЭС в одной энергосистеме с мощными тепловыми (в т. ч. и атомными) электростанциями.
Энергия, вырабатываемая ПЭС, может быть использована для участия в покрытии пиков нагрузки энергосистемы, а входящие в эту же систему ГЭС, имеющие водохранилища сезонного регулирования, могут компенсировать внутримесячные колебания энергии приливов.  На ПЭС устанавливают специальные гидроагрегаты, которые используются с генераторном (прямым и обратным) и насосном (прямым и обратным).
В часы, когда малая нагрузка энергосистемы совпадает по времени с «малой» или «полной» водой в море, гидроагрегаты ПЭС либо отключены, либо работают в насосном режиме ( подкачивают воду в бассейн выше уровня прилива или откачивают ниже уровня отлива) и таким образом аккумулируют энергию до того момента, когда в энергосистеме наступит пик нагрузки. В случае если прилив или отлив совпадает по времени с максимумом нагрузки энергосистемы, ПЭС работает в генераторном режиме.

1.4 Геотермальная энергияВ России геотермальные источники экономически расположены невыгодно. Камчатка, Сахалин и Курильские острова отличаются слабой инфраструктурой, высокой сейсмичностью, малонаселенностью, сложным рельефом местности. Общие запасы этого вида энергии в России оцениваются в 2000 МВт. В настоящее время в России действует Паужетская ГеоТЭС на Камчатке мощностью 11 МВт. Сведений о продолжительности жизни геотермальных источников мало, и поэтому, хотя геотермальная энергия производится при малых затратах, проекты, рассчитанные на долгую перспективу, неизвестны.
Основное направление развития геотермальной энергетики — отбор теплоты не только термальных вод, но и водовмещающих горных пород путем закачки отработанной воды в пласты, преобразование глубинной теплоты в электрическую энергию. Такое использование глубинной теплоты обеспечит экологическую безопасность технологии ее использования .Геотермальные воды с наиболее высокой температурой и пар используют для получения электроэнергии. Энергия, полученная таким способом, дешевле, чем энергия тепловых, атомных и гидроэлектростанций. Наличие больших запасов геотермальной энергии в земной коре дает надежду на то, что у этой отрасли энергетики большое будущее.
На Камчатке уже работают две геотермальные электростанции. А также такие электростанции построены в районе Махачкалы и Южно-Курильска. Недостатком всех имеющихся геотермальных электростанций является то, что располагать их возможно только там, где есть горячие источники. Ученые выдвинули идею бурения скважин на глубину в 4-6 километров, для того чтобы в одну скважину закачивать холодную воду, а из другой получать разогретый пар.
Температура в глубине скважин будет достигать 150-200°C. Полученный пар можно использовать для получения электроэнергии или отопления. Благодаря изобретению советского инженера Александра Калины, наряду с традиционными геотермальными электростанциями появились электростанции использующие «цикл Калины». Их особенностью является то, что горячая вода из земных недр передает свою энергию другой жидкости. Такая схема называется бинарной или двухконтурной. В качестве второй жидкости используют двухкомпонентную водно-аммиачную смесь.

2 Применение ветровой энергии в Якутии2.1 Общие сведенияУдельная мощность ветро-энергетических ресурсов по территории республики колеблется в широких пределах: от 3 в континентальной части (с. Угино) до 476 Вт/м2 на побережье моря Лаптевых, т.е. максимальное значение удельной мощности превышает минимальное почти в 160 раз. В последних районах с помощью ветроустановок можно выработать с квадратного километра площади от 250 тыс. кВт*ч до 2 млн. кВт*ч электроэнергии в год. По предварительным оценкам, на территории Якутии, где среднегодовая скорость ветра достигает более 4 м/с, запасы потенциальной энергии ветра составляют 15,6 млрд. кВт·ч в год.
Оценка ветрового потенциала республики, представленная в данной работе, проводилась на основании справочных материалов [119,146,147]. Средняя годовая скорость ветра на большинстве станций республики на высоте флюгера изменяется от 2,2 до 5,7 м/с (табл. 1). Средние годовые скорости ветра мало изменяются от года к году. Наибольшие отклонения средней годовой скорости ветра в отдельные годы не превышает по всей территории Якутии 15-35%.
Таблица 1. – Среднегодовая скорость и плотность мощности ветра по улусам Якутии
Улусы Средняя скорость ветра м/с Мощность, Вт/м2 Удельная энергия ветра, кВт◌ч/ м2
I децентрализованная зона
1.Абыйский 2,6 40 200
2.Аллаиховский 4,9 326 870
3.Анабарский 5,6 473 1930
4.Булунский 6,9 589 4200
5.Верхоянский 2,7 42 370
6.Жиганский 4,4 274 1300
7.Нижнеколымский 5,7 496 1300
8.Оленекский 2,8 37 320
9.Среднеколымский 4,8 332 1310
10.Усть-Янский 6,0 503 2710
II децентрализованная зона
1.Эвено-Бытант-кий 1,2 11 96
2.Момский 1,4 10 87
3.Верхнеколымский 2,6 36 300
4.Кобяйский 4,0 200 940
5.Оймяконский 2,0 43 293
6.Олекминский 1,7 28 250
7.Усть-Майский 1,9 12 100
8.Томпонский 2,4 18 160
III децентрализованная зона
1.Амгинский 1,9 17 150
2.Горный 2,0 33 230
3.Хангаласский 2,6 42 370
4.Намский 2,1 21 180
Централизованная зона
1.Алданский 2,1 45 233
2.Верхневилюйский 2,3 26 230
3.Вилюйский 2,6 24 120
4.Нюрбинский 2,2 47 245
5.Ленский 2,5 41 280
6.Мегино-Кангал-кий нет сведений - -
7.Мирнинский 2,5 68 285
8.Сунтарский 2,2 22 190
9.Татинский 1,3 10 87
10.Усть-Алданский 2,0 17 103
11.Чурапчинский 1,6 12 105
12.террия Якутск 2,6 30 300
13.терр-ия Нерюнгри 1,9 45 240
На побережье Северного Ледовитого океана скорость ветра в большинстве составляет 7-8 м/с и носит постоянный (муссонный) характер. По данным многих исследований, в арктической зоне в розе ветров преобладают северные (летом) и северо-восточные (зимой) направления. Самые сильные ветры отмечены в Усть-Оленьке. В центральной Якутии среднегодовая скорость ветра превышает 3 м/с, причем при неравномерном распределении по месяцам ветровой потенциал повышается в большей части в летнее время года, когда потребность в электроэнергии и отоплении максимально снижается.
Из анализа характеристик ветра для территории Республики Якутия можно сделать следующие заключения:
В теплый период (июнь, июль) ст. Тикси, Черский, Чокурдах, Депутатский, Жиганск, Таймылыр характеризуются высоким ветроэнергетическим потенциалом (I децентрализованная зона). Эти местности наиболее благоприятны для размещения и эксплуатации ВЭС и ВЭУ;
В теплый период на ст. Батагай, Саскылах, Ленск величины средней скорости ветра не превышают значения 3,7 м/с. Утилизация энергии ветра в районах размещения этих пунктах, в сравнении с районами на возвышенных участках, связана с эксплуатацией ВЭУ с меньшими величинами начальной и номинальной скоростей;
В годовом ходе скорости ветра по всей территории Якутии, независимо от степени защищенности флюгера, сохраняется определенная закономерность: существенные изменения средней месячной скорости ветра обнаруживаются при переходе от зимы к весне и от лета к осени. В пунктах с наиболее характерным для всего улуса годовым ходом средней скорости ветра (рис. 1) проявляется минимум в холодное время года (ноябрь – февраль) и некоторое уменьшение в августе – сентябре (в конце летнего и начале осеннего периода). Кроме весенне-летнего (май – июнь) максимума отмечается увеличение скорости ветра осенью – октябрь. На островах в районе моря Лаптевых в годовом ходе скорости ветра максимум падает на октябрь, кроме того, наблюдается увеличение скорости ветра в мае – июне. На островах Восточно-Сибирского моря наблюдается максимум в январе – феврале, а минимум – в летние месяцы. Среднегодовые скорости изменяются от 1,2 до 7,3 м/с.
Оценка ветроэнергетических ресурсов Якутии сделана впервые отделом энергетики ИФТПС НЦ Якутии СО РАН. Первичность результатов и необходимость последующего уточнения запасов ветроэнергии обусловлены редкой стационарной сетью наблюдений за скоростями ветра и прямой зависимостью режима ветра от окружающего рельефа и физико-географического местоположения пункта наблюдения.
На одну метеостанцию с наблюдениями ветрового режима приходится 26 тыс. км2 территории Якутии. Высота датчиков ветроизмерительных приборов варьируется в пределах от 9-10 до 16-17 м.
Скорости ветра, как и направления, зависят в значительной степени от рельефа местности, степени защищенности флюгера, подстилающей поверхности, высоты станции. (м/сек)

Рис.1. Годовой ход средней скорости ветра.
Например, на станциях, расположенных в долинах, преобладают ветры, направленные вдоль долин (Сого-Хая, Кюсюр, Сунтар, Усть-Мома и др.). В горных районах наблюдаются горно-долинные ветры, дующие ночью вниз по долине, а днем – вверх по долине. Направление у земли подчеркивает и влияние речных долин, вызывающих деформацию воздушного потока (Сангар, Витим, Мянгняра, Сухана и др.). На станциях, расположенных на побережьях и островах моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря, на направлении ветра сказывается влияние очертаний береговой линии и направление проливов (мыс Шалаурова, бухта Тикси). С высотой скорость ветра возрастает; на возвышенностях, берегах озер и в долинах крупных рек также наблюдается увеличение скорости ветра по сравнению с равнинными участками. В городах, на лесных полянах скорости ветра уменьшаются по сравнению с окружающим районом, причем шероховатости подстилающей поверхности за счет лесов оказываются сильнее, чем влияние барических градиентов.
Вследствие большого разнообразия ландшафтных условий на территории Якутии характеристику скорости ветра необходимо давать по условиям местоположения станций, что подтверждается в некоторой степени сопоставлением класса открытости станции со среднегодовыми скоростями ветра.
На станциях, расположенных на открытых возвышенностях, водоразделах, в верхних частях склонов скорости ветра заметно увеличиваются, достигая 2,5-3,0 м/сек за год. В местах с полузащищенной установкой флюгера, находящихся на сравнительно ровном месте, средние годовые скорости ветра несколько меньше 1,5-2,5 м/сек. В пунктах, расположенных в котловинах, окруженных горами или холмами, в нижних частях склонов гор, на полянах в лесу или среди построек – в условиях сильной защищенности флюгера, средние годовые скорости составляют 1-1,5 м/сек (Теплый Ключ, Бердигястях, Тегюлтя и др.).
В Сангарах, Жиганске и других пунктах в долине реки Лена отмечаются скорости более высокие, чем на других станциях, расположенных в аналогичных условиях рельефа. Это обуславливается тем, что над долиной реки Лены на участке от устья до впадения в нее реки Алдан в зимнее время находится барическая ложбинка. В теплый период повышение скорости в основном обуславливается своеобразным расположением долины реки Лена и Верхоянского хребта. Ветровой режим, формирующийся под влиянием барических центров, характеризуется сменой противоположных направлений ветра и скоростями от 0,9-4,5 м/с во внутренних частях территории до 3,5-6,8 м/с на островах и побережьях моря Лаптевых и Восточно-Сибирского.
Между тем в республике наиболее сильные ветры и постоянные ветры со средней скоростью 5-8 м/с отмечены по всей арктической зоне (прибрежный район – I децентрализованная зона), при этом продолжительность ветровых часов достигает 75-80%.
Выработка энергии ВЭУ существенно возрастает с ростом повторяемости градации более высоких скоростей ветра. Оценка величины годовой выработки электроэнергии для ряда пунктов Якутии с различными дифференциальными распределениями скоростей показали, что эффективность работы ВЭУ на северных территориях республики увеличится в 2 раза в теплый период года в сравнении с холодным периодом из-за роста скорости ветра. Этот факт позволяет значительно расширить типы используемых ВЭУ. Следовательно, для оценки эффективности использования ветроэнергетики в регионе с преобладанием умеренных ветров особое внимание следует уделять определению ветроэнергетических ресурсов в холодный и теплый период года с целью рационального размещения ВЭУ различных классов на территории.
Территориальная классификация наиболее проблемных децентрализованных зон (прибрежные и северные районы республики) и распределение ветрового потенциала республики определяют приоритет использования ВЭУ в балансе малой энергетики.

1.2 Возможности ветроэнергетического ресурса в энергобалансе республикиПроведенный анализ ветроэнергетического ресурса республики отражен на картесхеме, представленной на рис.2.
К I наиболее ветронасыщенной зоне относятся улусы со средней скоростью ветра более 4 м/с: Аллаиховский, Анабарский, Булунский, Жиганский, Нижнеколымский, Среднеколымский, Усть-Янский, расположенные в I децентрализованной зоне.

Рис.2. Зонирование территории республики по ветроэнергетическому потенциалу
Во II зоне лежат улусы, в которых средняя скорость ветра варьируется в переделах от 2,6 до 4 м/с: Абыйский, Оленекский, Верхоянский (I децентрализованная зона), Кобяйский, Верхнеколымский (II децентрализованная зона), Хангаласский (III децентрализованная зона), Вилюйский, территория г. Якутска (централизованная зона).
В III зоне расположены улусы, где преобладающая скорость ветра – менее 2,6 м/с: Момский, Эвено-Бытантайский, Оймяконский, Олекминский, Томпонский, Усть-Майский (II децентрализованная зона), Амгинский, Горный, Намский (III децентрализованная зона), Верхневилюйский, Мирнинский, Мегино-Кангаласский, Нюрбинский, Сунтарский, Татинский, Усть-Алданский, Чурапчинский, территория г. Нерюнгри (централизованная зона).
Полная ветровая энергия, захватываемая ветроустановками на площади территории S, м2, в год, представляет валовый потенциал территории Wв, кВт· ч/год. При соответствующей удельной энергии ветра на основании общеизвестных для ветроэнергетики методик расчета [124,137,154,167,168] данный показатель ветровой энергии улусов (где принято S = Sуд =1 км2 территории) рассчитан и представлен результатами табл. 2, анализ которых показывает достаточно высокую суммарную ветровую энергию над многими улусами децентрализованных зон в течение года, доступную для использования в энергетических целях. Исходя из расчетных показателей годового электропотребления для различных групп потребителей (гл. 4, табл. 4.2) использование потенциала ветровой энергии может обеспечить электроэнергией децентрализованные пункты в полном объеме или в дополнении к существующему энергообъекту.
Таблица 2. – Валовый потенциал ветровой энергии зонированной территории республики
Улусы Wв,
106 ·кВт· ч/км2 ·год Площадь территории тыс. км2
I децентрализованная зона
1.Абыйский 17,52 69,4
2.Аллаиховский 142,79 107,3
3.Анабарский 207,17 55,6
4.Булунский 257,98 223,6
5.Верхоянский 18,40 134,1
6.Жиганский 120,01 140,2
7.Нижнеколымский 217,25 87,1
8.Оленекский 14,89 318,1
9.Среднеколымский 145,42 125,2
10.Усть-Янский 220,31 120,3
II децентрализованная зона
1.Эвено-Бытантайский 4,82 55,6
2.Момский 4,38 104,6
3.Верхнеколымский 15,77 67,8
4.Кобяйский 87,6 107,8
5.Оймяконский 18,83 92,2
6.Олекминский 12,26 160,8
7.Усть-Майский 5,26 95,3
8.Томпонский 7,88 135,8
III децентрализованная зона
1.Амгинский 6,46 29,4
2.Горный 14,45 45,6
3. Хангаласский 18,40 24,7
4.Намский 9,20 11,9
Как показывает проведенное зонирование (рис.2) во многих улусах, есть пункты, среднегодовая скорость ветра в которых превышает общую ветровую характеристику данного района: Алданский улус – п. Канку, Эмельджак (3 м/с); Кобяйский улус – п. Сангар (4 м/с), Усть-Вилюй (3,5 м/с); Ленский улус – п. Ленск (3,1 м/с); Оймяконский улус – п. Сунтар-Хаята (3,1 м/с); Томпонский улус – п. Западная (3,7 м/с).
Наибольший ветроэнергетический потенциал имеет место в районе станций: Усть-Оленек, Тикси, Таймылыр, Столб – Булунского улуса; Амбарчик – Нижнеколымского улуса и Буорхая – Усть-Янского улуса.
Для энергетических целей перспективны районы (пункты) в которых интегральные показатели скорости ветра превышают 3 м/с, что следует из технических характеристик большинства ВЭС. Наиболее перспективными районами, где можно эффективно использовать ветровую энергию, является побережье, от запада до восточной границы республики полосой около 100-200 км и долина реки Лена, от устья до впадения в реку Алдан
Для рационального размещения ВЭС практический интерес представляет информация о повторяемости потоков ветра по силе и различным направлениям.
Распределение различных направлений ветра и его скоростей определяется режимом барических центров над Восточной Сибирью и Арктикой. В зимний сезон основным барическим образованием у поверхности земли, определяющим ветровой режим этого периода, является зимний азиатский антициклон, почти полностью занимающий территорию Якутии в это время.
Ветровой режим над Якутией связан с особенностями циркуляции атмосферы. В течение всего года на северной и южной территории преобладают юго-западные и западные ветра (20-35%), значительно реже бывают ветры восточные и северо-восточные (37%); в центральных районах – северные и западные (16-26%) и реже – восточные и югозападные (2-8%) [146].
Наибольшее число юго-западных и западных ветров в южных и северных районах приходится на февраль и ноябрь (до 51%) и северных и северо-западных ветров в центральных районах – на май (до 38%), когда почти вся территория республики находится под влиянием азиатского антициклона. Менее устойчиво направление ветра в холодный период.
Зимой распределение давления способствует развитию на большей части рассматриваемой территории южных, юго-западных и западных ветров, направленных в сторону полярного бассейна, а в юго-восточной части территории северных и северо-западных, направленных в сторону Охотского моря. Распределение направлений ветра остается зимним с сентября по март.
В летнее время на побережьях моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря ветры дуют в направлении обратном зимнему, т.е. имеют муссонный характер, на остальной части Якутии преобладают северные, северо-восточные, северо-западные и западные ветры, а в юго-восточной части территории южных румбов. Общая конфигурация направления ветров остается летней с мая по август.
В переходные сезоны, к которым относятся сентябрь и апрель, зимнее распределение ветра сочетается с летним.
Формирование области высокого давления начинается уже с сентября с центром над Тувинской котловиной и севером Монголии. Отрог высокого давления, простирающийся от Байкала на северо-восток до о. Врангеля, разделяет Якутию на две области с различными системами ветров.
Летом над Якутией располагается поле пониженного давления с центром в районе Оймяконского и Нерского плоскогорий. Сезонная смена полей давления определяет и ветровой режим.
Направление ветра на побережьях морей Лаптевых и Восточно-Сибирского носит муссонный характер. В теплый период преобладают ветра северо-восточных и восточных румбов, в холодный – юго-западных и западных.
Для решения многих практических задач, в особенности при учете ветроэнергетических ресурсов, недостаточно знать только средние величины скорости. Для более полной характеристики ветрового режима пользуются вероятностью скоростей ветра в различных пределах данных скоростей.
Важный показатель «Повторяемость (%) различных градаций скорости ветра» рассматривается как процент времени, в течение которого наблюдается та или иная градация скорости ветра. Эта характеристика важна для расчета энергозатиший и других параметров, необходимых для ветроэнергетических расчетов, связанных с оценкой интервалов времени работы ВЭУ при различных скоростях.
Наибольшую повторяемость на большей части территории имеют скорости ветра от 0 до 5 м/с (около 93%), т.е. преобладают ветры слабые и умеренные, причем больший процент составляют скорости 0-1 м/с (около 59%). Наибольшая вероятность малых скоростей ветра (до 2 м/с) приходится на зимние месяцы, а умеренных скоростей (от 2 до 5 м/с) на летнее. На островах моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря наибольший процент в годовом разрезе приходится на ветры со скоростью 4-5 м/с, а на о. Четырехстолбовом на ветры 6-7 м/с.
В отдельные годы и периоды повторяемость ветров различных скоростей может значительно разниться, особенно в долине реки Лена, а также в зоне тундры и на островах. о характеру кривых распределения на территории Якутии, за исключением районов с повышенными скоростями ветра, выделяются три группы станций в зависимости от степени защищенности флюгера, а также станции, ветровой режим на которых определяется еще и дополнительными факторами: крупными водоемами (Кигилях, Котельный, мыс, остров и др.), формой рельефа (Усть-Мома, Аллах-Юнь, Батагай-Алыта и др.). Станции с защищенной установкой флюгера характеризуются большим числом штилей и наибольшей повторяемостью малых скоростей. Например, на ст. Аллах-Юнь повторяемость градации 0-1 м/с составляет 48%. Полузащищенные станции характеризуются почти одинаковой повторяемостью соответствующих градаций скоростей, независимо от их географического положения; кривые распределения скоростей почти совпадают (Якутск). В этой группе станций наблюдается уменьшение повторяемости скоростей ветра градации 0-1 м/с и увеличение повторяемости следующих градаций.
Кривые распределения скоростей с открытой установкой флюгера (Дружина, Зырянка) также почти полностью совпадают и характеризуются увеличенной повторяемостью больших скоростей по сравнению с защищенными и полузащищенными станциями.
Для районов с повышенными скоростями ветра характерны свои кривые распределения скоростей ветра (Кюсюр, Котельный, остров). Например, на побережьях и островах морей наибольшая повторяемость ветра приходится на градацию 4-5 м/с.
Современные ветродвигатели могут достаточно эффективно эксплуатироваться в большом диапазоне скоростей, причем они начинают работать обычно при скоростях 3 – 4 м/с (рабочих скоростях). Повторяемость рабочих скоростей ветра является одним из основных ветроэнергетических параметров (наряду со средними скоростями ветра, а также суточным и годовым ходом). Для определения численных характеристик этих параметров для наиболее характерных ландшафтных условий установки ветродвигателей следует использовать многолетние характеристики скорости ветра таких станций, классы открытости которых аналогичны условиям установки ветросиловых агрегатов, используемых в народном хозяйстве.
Наилучшие условия использования ветровой энергии в условиях Якутии имеет место в зоне тундры, на островах моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря, а также в долине реки Лена к северу Усть-Алдана, на остальной части территории на открытых возвышенных местах, при этом в основном с апреля по октябрь. Производительность ветродвигателей, установленных в таких условиях, будет в 2-2,5 раза больше, чем в пунктах с полузащищенной и защищенной установкой флюгера.
Энергокомплексы ветроустановок с небольшой мощностью, введённые 15-20 лет назад и состоящие из ВЭУ, имеющих единичную мощность от 100 до 250 кВт, проектировались на рабочих генераторных напряжениях. На рис. 3 – 6 приведены варианты радиальных схем ВП на базе ВЭУ с различными типами электрогенераторов.
При отсутствии статических преобразователей и поддержании частоты вращения вала установки при работе стабильной и кратной частоте сети, энергокомплексы на базе ВЭУ с приводом от синхронных генераторов могут иметь несколько вариантов подключения:
- каждый генератор может быть снабжен собственным устройством синхронизации;
- конструкцией предусматриваются устройства автоматической синхронизации, которые предназначаются для синхронизации генераторов между собой в группах, а затем осуществляется синхронизация групп с сетью;
- предусмотренные конструкцией устройства автоматической синхронизации, выполняют функцию синхронизации генераторов между собой в группе, затем происходит синхронизация групп, а синхронизация с сетью осуществляется непосредственно на главной повышающей подстанции.

Рис. 3. Энергокомплекс небольшой мощности на базе ВЭУ, с приводом от синхронных генераторов
Основными недостатками перечисленных схем является частая синхронизация генераторов ВЭУ при подсоединении к сети, а также недовыработка электроэнергии. Очевидно, что рассмотренный вариант номер один наиболее полно соответствует эксплуатационным требованиям. При его использовании возможно устанавливать минимальное количество синхронизирующих устройств. При такой схеме любой из генераторов может быть подключен к сети независимо от других. Кроме того, при запуске после аварии на одной из подстанций первой ступени синхронизации подвергается только одна из групп генераторов (рис. 3). Аналогичные схемы подключения могут быть реализованы для ВЭУ, имеющие в основе конструкции двухскоростные асинхронные генераторы, а также асинхронные генераторы с фазным ротором и регулируемым скольжением. Тем не менее такие типы электрических машин чаще находят применение в составе более мощных ВЭУ, в схеме которых предусмотрено использование индивидуальных повышающих трансформаторов. Радиальные схемы энергокомплексов на базе ветроэнергетических установок средней мощности имеют в схеме собственный повышающий трансформатор и преобразовательное устройство. Они объединяются общими шинами на стороне среднего напряжения (рис.4).

Рис. 4. Радиальная схема соединений энергокомплекса на базе ВЭУ с асинхронными генераторами с КЗ ротором
Наиболее перспективными тенденциями развития мировой ветроэнергетики является ввод в работу крупных оффшорных энергокомплексов, расположенных на континентальных шельфах. Количество ВЭУ в таких энергокомплексах колеблется от 10 до 80 единиц. При такой конструкции установки выстраиваются вдоль побережья в 2-4 ряда и связываются между собой и с главной повышающей подстанцией, кабелями, проложенными под водой. При благоприятной геометрии розы ветров может быть применена схема подключения нескольких установок на один повышающий трансформатор среднего напряжения по сложной схеме (рис. 5).

Рис. 5. Вариант сложно разветвлённой радиальной схемы энергокомлекса на базе ВУ
Применение установок, имеющих в конструкции различных по принципу действия электрических генераторов, используется в основном при модернизации или расширении действующих энергокомплексов. Во вновь проектируемых энергокомплексах по эксплуатационным соображениям применяются установки одинаковой конструкции и одного типоразмера (рис. 6).

Рис. 6. Магистральная (кольцевая) схема электрических соединений оффшорного энергокомплекса
На территории Якутии число дней с сильным ветром (15 м/с и больше) по данным отдельных пунктов очень сильно колеблется и составляет в среднем в году от 1 до 55 дней. Наиболее часто сильные ветры наблюдаются на островах и побережьях морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, а также в долине р. Лены (от Усть-Алдана до впадения ее в море) и в зоне тундры. Кроме того, увеличение числа дней с сильным ветром отмечается на вершинах холмов, перевалах и в долинах рек, ориентированных в направлении преобладающих ветров. Малое число дней с сильным ветром характерно для большей части Якутии, особенно для Оймяконский котловины, Янской междугорной впадины, для центральных районов Якутии, а также для пунктов, расположенных в защищенных местах.
Самые большие скорости ветра могут достигать 38 м/с. Средняя непрерывная продолжительность сильного ветра составляет около 13 часов. Наиболее продолжительными они бывают в весенний или летний сезоны, а так же осеннее время года.
Ветры разрушительной силы могут наблюдаться на островах и побережьях морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, а также в зоне тундры и в долине реки Лена (от УстьАлдана до впадения Лены в море). В зимнее время Якутия с характерными для нее антициклоническим режимом отличается небольшими скоростями ветра. На большей части территории наименьшие скорости отмечаются в январе и феврале. Особенно малые значения скорости ветра (в среднем не больше 1-2 м/с) наблюдаются в центральной Якутии. В долинах реки Яны, Индигирки и др., в замкнутых котловинах в эти месяцы средние скорости ветра составляют 0,2-0,4 м/с (Усть-Мома, Оймякон, Делянкир и др.), чрезвычайно велика здесь вероятность затишья. Например, в Оймяконе в