Работа выполнена при поддержке гранта № МК-5098.2016.8
Приведены типы ветроэнергетических установок малой мощности с вертикальной осью вращения, описаны их достоинства и недостатки. Произведено сравнение вертикально-осевых и горизонтально-осевых ветроустановок применительно к Омской области. Приведены типы концентраторов ветровой энергии. Рассказан принцип действия веерного концентратора ветровой энергии. Проанализирована целесообразность применения ветроэнергетических установок малой мощности с вертикальной осью вращения в паре с концентраторами ветровой энергии в Омской области. Результаты анализа могут быть применены при проектировании систем электроснабжения.
Ключевые слова: малая ветроэнергетика, вертикальная ось вращения, веерный концентратор, Омск.
Согласно энергетической стратегии России на период до 2030 года внутреннее потребление электроэнергии к 2030 году вырастет на 85 – 129% по отношению к 2005 году [1]. Следовательно, вырастет потребность в новых источниках электроэнергии. Сегодня наиболее перспективным направлением являются возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Одной из самых динамично развивающихся сфер возобновляемой энергетики является ветроэнергетика, распространенная в странах ЕС, США, Китае, Индии. Например, в 2014 в году в Дании ветрогенераторы обеспечили 39,1% от потребляемой электроэнергии [2]. В России, ввиду больших запасов углеводородов, основной упор сделан на традиционные источники электроэнергии. Однако, применение ветроэнергетических установок может иметь положительный эффект как в экономическом, так и в экологическом плане. Рассмотрим целесообразность применения ветроустановок в Омской области.
В Омске средняя скорость ветра обладает ярко выраженной годовой зависимостью. Зимой, весной и осенью среднемесячные скорости ветра достигают наибольших значений (4-5м/с). Слабые скорости ветра (4м/с и менее) преобладают в летнее время [3].
В условиях равнинной местности, преобладания степной и лесостепной зон, большого количества удаленных электроприемников невысокой мощности целесообразно применять ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения малой мощности. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с горизонтально – осевыми ветроустановками:
режим работы не зависит от направления ветра;
возможность разместить генератор на основании ветряка, что упрощает конструкцию и повышает надежность (нет необходимости в угловой передаче, меньшая масса корпуса);
меньший уровень шума и радиопомех;
возможность разместить установку вблизи от потребителя;
меньший шанс столкновения птиц с ветроагрегатом.
Недостатки вертикально-осевых ветроустановок:
плохой самозапуск;
большая материалоемкость в сравнении с горизонтально-осевыми ВЭУ;
низкий КПД.
Вертикально-осевые ВЭУ имеют наибольшую эффективность при мощности до 10 кВт [4]. Их целесообразно устанавливать:
как резервный источник питания;
для питания удаленных от энергосистемы объектов;
для улучшения качества электрической энергии;
при нехватке мощности питающей линии;
для экономии денежных средств на оплату за электроэнергию.
В данной статье рассмотрены наиболее распространенные типы вертикально-осевых ВЭУ.
Ротор Савониуса (рис. 1а). Вследствие разного сопротивления частей ротора при обтекании его ветром создается вращающий момент. К достоинствам данной установки можно отнести малый размер, относительную бесшумность, хорошую работу при медленном ветре (3-5 м/сек), высокий стартовый момент. Ветроколесо имеет простую конструкцию, но КПД напрямую зависит от расходов на материалы. Данная ветроустановка самая тихоходная из рассматриваемых и обладает невысоким коэффициентом использования энергии ветра (0,18 — 0,24) и КПД (17-18%).
Ротор Дарье (рис. 1б). Симметричная конструкция из двух и более (на практике как правило используют три) крыльев, закрепленных на радиальных балках. На вращающиеся крылья действует переменная подъемная сила, модуль которой меняется в зависимости от значения угла между векторами скорости крыла и ветрового потока. Наибольшей величины подъемная сила достигает при перпендикулярности этих векторов. Вследствие циклического изменения при движении ротора вектора скорости крыла, момент силы на валу установки также является циклическим. Ротор Дарье имеет плохой самозапуск, так как для возникновения подъемной силы необходимо, чтобы крылья находились в движении. Самозапуск улучшается при увеличении числа крыльев, но все равно ротор необходимо предварительно разгонять [4].
Данное ветроколесо имеет маленький начальный момент, но хорошую быстроходность, поэтому – хорошую удельную мощность.
|
|
|
|
|
а) |
б) |
в) |
Рис. 1. Типы роторов ВЭУ
К достоинствам ротора Дарье можно отнести высокий коэффициент быстроходности при медленном ветре и высокий коэффициент использования энергии ветра. Роторы Дарье не хуже, а иногда даже лучше горизонтально-осевых ВЭУ.
Из недостатков ротора Дарье стоит отметить низкую механическую прочность и высокий шум при работе данной ВЭУ. Так же стоит отметить отсутствие достоверной математической модели, что усложняет проектирование установок данного типа.
Лучшими параметрами обладает Н-образный ротор Дарье (рис. 1в). Такое ветроколесо является быстроходным (коэффициент быстроходности ≥ 3), КПД достигает 0,38. К достоинствам установок данного типа относятся низкий уровень шума, отсутствие низкочастотных помех, простота конструкции и высокая надежность.
Таким образом, ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения имеют ряд преимуществ по сравнению с горизонтально – осевыми ветроустановками. Способность вертикально-осевых ветроколес работать при медленных ветрах и отсутствие зависимости режима работы от направления ветра дают таким установкам преимущество на территории Омска.
В районах с малым и средним ветропотенциалом для повышения эффективности использования ветровой энергии целесообразно использовать концентраторы ветрового потока и потокоформирующие устройства для подвода и отвода воздушного потока к ветроколесу и от него.
Ниже рассмотрены 3 основных типа концентраторов.
- Конфузоры (рис. 2а). Представляют собой усеченный конус, за счет сужения канала происходит увеличение скорости потока. Во избежание образования застойных зон с вихрями сужение необходимо выполнять плавным.
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 2. Типы концентраторов ветровой энергии
2. Диффузоры (рис. 2б). Как и конфузоры имеют форму усеченного конуса, но по мере движения потока канал расширяется, и за счет перепада давления скорость потока увеличивается.
3. Комбинированные. Данный тип сочетает в себе конфузор и диффузор. Канал сужается к зоне ветроколеса, затем расширяется.
В настоящее время активно разрабатываются ВЭУ, оснащенные веерными концентраторами ветровых потоков [5 – 7].
На примере работы [8] рассмотрим принцип действия веерного концентратора ветровых потоков.
Рис. 3. Веерный концентратор ветровых потоков
Ветроагрегат 1 с размещенными на оси 2 парусами 3 размещен в зоне выхода воздушного потока из концентратора, образованного вертикальными стенками 5…8. Криволинейная по длине и вогнутая по высоте конфигурация стенок 5…8 веерного концентратора создает направленную ориентацию ветрового потока с предпочтительным воздействием на вогнутые поверхности парусов 3 ротора ветроагрегата 1, что в итоге позволяет существенно повысить коэффициент использования энергии ветра [8].
На основании вышесказанного можно сделать следующий вывод. Применение ВЭУ малой мощности с вертикальной осью вращения на территории Омской области, целесообразно не смотря на их недостатки.
Применение ветроэнергетических установок позволит улучшить экологическую ситуацию в регионе и сэкономить на строительстве линий электропередач для удаленных потребителей. Также стоит отметить, что при автономной работе таких ВЭУ необходимые показатели качества электроэнергии должны быть обеспечены устройствами преобразования электрической энергии, например, UPS с батареей необходимой емкости.
Литература:
- Российская Федерация. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года: [утверждена распоряжением правительства Российской федерации от 13 ноября 2009 №1715-р]. – 184 c.
- Energinet.dk: Wind turbines reached record level in 2014 [Электронныйресурс] / URL: http://www.energinet.dk/DA/El/ Nyheder/Sider/Vindmoeller-slog-rekord-i-2014.aspx (датаобращения: 13.09.2016).
- Климат Омска / Под ред. Ц.А. Швер. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1980. – 246 с.
- Бабина, Л.В. Анализ ветроустановок для электростанций малой мощности // Научный журнал КубГАУ, №78(04), 2012. – с. 27–36.
- Пат 2043536 РФ, МПК F03D9/00 Ветроэнергетическая установка / Раковский В.Ф.; заявл. 05.07.1990; опубл. 10.09.1995.
- Пат 2043536 РФ, МПК F03D3/04 Вихревая электростанция / Мосолов В.Г.; заявл. 25.07.1994; опубл. 20.12.1996.
- Пат 2059881 РФ, МПК F03D9/00 Способ преобразования энергии потоков сплошных сред и устройство для его осуществления / Кикнадзе Г. И., Гачечиладзе И. А., Олейников В.Г.; заявл. 28.05.1992; опубл. 10.5.1996.
- Айтматов А. С., Ахметов Б. С., Харитонов П. Т. Ветроэнергетические установки с веерными концентраторами ветровых потоков// Вестник КазНТУ. – 2011. – №1(83) – с. 45–54.
