Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16–08–00243 а
В статье приведено описание типовых конструкций ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения, рассмотрен ряд вопросов по повышению энергоэффективности. Рассмотрены преимущества и недостатки ветрогенераторов данного типа. Проанализирована целесообразность применения ветроэнергетических установок малой мощности в регионе характеризующемся малой скоростью ветра. Результаты анализа могут быть практически применены при разработке и проектировании основных параметров ветроэнергетической установки.
Ключевые слова: возобновляемая энергетика, ветроэнергетические установки, малая ветровая нагрузка, перспективы применения.
В настоящее время современное общество неразрывно связано с потреблением электроэнергетических ресурсов как в сфере промышленности и сельского хозяйства, так и в удовлетворении бытовых потребностей. С течением времени потребление энергии постоянно возрастает. Увеличивающееся потребление компенсируется путем оптимизации процессов выработки электроэнергии, так и за счет роста использования традиционных энергоносителей, таких как уголь, газ, нефтепродуктов, атомной энергетики и т. д. Активное использование «традиционных» ресурсов привело к их быстрому истощению и серьезному загрязнению окружающей среды. По современным оценкам мировых запасов топливных ресурсов хватит еще на следующие 60–70 лет, что в свою очередь ставит перед обществом вопрос об использовании альтернативных источников получения электроэнергии. К таким источникам относятся ветроэнергетика, гелио- и биоэнергетика, гео- и гидроэнергетика и т. д.
Одним из наиболее распространенных и доступных источников энергии является ветер. Ветроэнергетическая отрасль основывается на преобразовании кинетической энергии ветра как в электрическую. В качестве таких преобразователей используются ветроэнергетические установки (ВЭУ).
Ветроэнергетика в нашей стране только зарождается, причиной существенного отставания в развитии послужила твердая ориентированность на гидро- и теплоэнергетическую стратегию. Толчком к восстановлению отрасли послужило одобрение правительством нормативных актов, стимулирующих использование возобновляемых источников энергии и локализующих на территории страны производство оборудования для такой генерации; а также прочих проектов, благоприятно влияющих на отрасль в целом.
Так, наряду с другими проектами в этой отрасли, в Омской области планируется строительство ветроэлектростанции установленной мощностью 110 МВт и выше [1].
Погодные условия позволяют использовать ветроустановки как в бытовых, так и в промышленных масштабах. Среднегодовая скорость ветра в Омской области составляет 3,5 м/с [2]. По общим оценкам ВЭУ с горизонтальной осью вращения по выработке электроэнергии в 2–3 раза эффективнее вертикальной, но существенной проблемой является то, что работа лопастей начинается при 2 м/с, а для эффективной выработки электроэнергии в среднем скорость ветра должна составлять более 9 м/с [3].
По началу, складывается мнение, что в нашем регионе развитие ветроэнергетики неперспективное направление. И если ориентироваться только на эти данные, то лучше не стоит вообще устанавливать ветряные электростанции. Для более точной оценки условий применения ВЭУ в Омской области необходимо учитывать ландшафт местности, на которой планируется установка ВЭУ.
В связи с недостаточной скоростью ветра, необходимой для эффективной работы горизонтально осевых ветрогенераторов, можно сделать выбор в пользу маломощных (до 10 кВт) вертикально-осевых ветроэнергетических установок [4].
Вертикальный ветрогенератор — это ветряная установка, у которой ротор расположен вертикально, а лопасти позаимствованы с конструкции лопастей водяной турбины.
В связи с такой конструкцией вертикальный ветрогенератор имеет ряд достоинств, особенно важных для нашего климатического региона:
1)Нет необходимости в установке механизмов и системах для ориентации на ветер, т.к данный тип ветрогенераторов «ловит» любые направления движения воздуха.
2)Работа ветрогенератора начинается при скорости ветра 1–2 м/с.
3)Низкий уровень шумового загрязнения даже при самых сильных порывах ветра.
4)Возможность установки в непосредственной близости от дома/предприятия.
5)Упрощенные требования к монтажепригодности и условиям эксплуатации.
Так же есть и ряд недостатков:
1)Неэффективное использование ветровой энергии по сравнению с горизонтальными ветрогенераторами.
2)Низкое расположение ветрогенератора по отношению к земле, как следствие малая скорость ветра, по сравнению с горизонтальными ветрогенераторами установленными на башенных опорах.
3)Высокие вибрации и нагрузки.
Ниже приведены используемые в настоящее время типы вертикально-осевых ветроустановок:
Ротор Савониуса.
Воздух за счет разности сопротивлений частей ротора Савониуса создает вращательный момент. К плюсам данного типа ротора можно отнести компактность, эффективность работы при малой скорости ветра (3–5 м/сек) и приемлемый уровень шума, однако тихоходность, низкие коэффициент использования ветра (0,18–0,24) и КПД (17–18 %) делают эту ветроэнергетическую установку нерентабельной.
Ротор Горлова.
Ротор Горлова отличается быстроходностью (коэффициент выше 3), высоким КПД (38 % и выше), а также повышенной надежностью в связи с плавностью хода механизма ВЭУ, однако лопасти аэродинамического профиля сложны в изготовлении и производят ощутимый уровень шума из-за срыва потока воздуха с наклонных лопастей. Этот вид ветроэнергетической установки экономически и технически нецелесообразно применять.
Ротор Дарье.
Представляет собой механизм, состоящий из оси и симметрично расположенных двух и более аэродинамических крыльев. На каждое крыло действует сила, максимальное значение которой достигается при перпендикулярности угла между скоростью потока и мгновенной скоростью крыла. Из этого следует, что момент вращения ротора Дарье является переменным, что ведет к плохому самозапуску. Самозапуск становится лучше в случае увеличения количества лопастей, но необходимость предварительного разгона ротора остается.
Ротор Дарье является ветроэнергетической установкой с низким начальным моментом, но высокой быстроходностью и удельной мощностью, соотнесенной к его массогабаритным параметрам и стоимости изготовления.
Турбина на основе данного типа ротора не нуждается в устройстве ориентации, так как на работу ротора Дарье не влияет направление ветра. При высоком коэффициенте использования энергии ветра и быстроходности даже при малых скоростях потока существуют и недостатки — сильный шум работающего механизма и его низкая механическая прочность.
Дальнейшим развитием этой конструкции является Н-образный ротор Дарье, отличающийся быстроходностью (коэффициент выше 3) и КПД (38 % и выше). В данной виде ротора удалось повысить надежность и избежать лишнего шума при работе.
Следовательно, ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения являются более простыми и удобными, обладая преимуществами перед ветроустановками с горизонтальной осью вращения. Несмотря на меньший коэффициент использования потока ветра и КПД, данный вид ВЭУ отличается отсутствием потерь энергии при изменении направления ветра. При буферном аккумулировании электрической энергии возможно уменьшить требования к качеству напряжения, использовать конструктивные варианты на основе упрощенных схем ветроэнергетических установок, обеспечив качество электрической энергии потребителя стандартными преобразователями по типу устройств UPS с батареей необходимой емкости.
Несмотря на недостатки установки ветроэнергетических установок в Омской области, их использование целесообразно в областях автономного потребления электроэнергии, где стоимость подключения к центральным сетям обойдется большими затратами. Также возможно применение ВЭУ в качестве экологически чистых источников электрической энергии наряду с традиционными электростанциями. Ввиду ориентации европейской энергетики на возобновляемые источники энергии перспективно развивать соответствующую отрасль в России.
Литература:
- Российская Федерация. Правительство. Распоряжения. Об схеме территориального планирования в области энергетики [Электронный ресурс]. Распоряжение от 11.11.2013 № 1634-р. — URL: http://government.ru/media/files/eFBHWjAwsi3waUcgX5Cg0F4RPlbmItHe.pdf(дата обращения: 05.10.2016).
- Атлас ветров России = RussianWindAtlas / А. Н. Старков [и др.] / М-во топлива и энергетики России, Нац. лаб. Рисо (Дания), Рос.-Дат. ин-т энергоэффективности. — М.: Можайск-Терра, 2000. — 551 c.
- Аналитический центр при Правительстве Российской Федерации Дирекция по экономике отраслей ТЭК Развитие технологий ветроэнергетики в мире Информационная справка октябрь 2013 [Электронный ресурс]. — URL: http://ac.gov.ru/files/publication/a/897.pdf (дата обращения: 05.10.2016).
- Соломин Е. В., Кирпичникова И. М. Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». — 2008. — Вып. 10, № 26. — С. 32–34.
