В статье рассматривается проблема рационального использования энергетических ресурсов Омского региона. Представлены виды ветроэнергетических установок с их достоинствами и недостатками. Описывается средняя скорость ветра в Омске. Сформулированы выводы о положительности применения ветроэнергетических установок малой мощности в Омском регионе.
Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, средняя скорость ветра, энергия ветра, малая мощность, подъемная сила.
Ветроэнергетическая установка (ВУЭ) — совокупность взаимосвязанных установок и сооружений, применяется, чтобы трансформировать энергию ветра в другие виды энергии. Оборудования малой мощности используются для самостоятельного и дополнительного электроснабжения [1].
Существует достаточно видов ветроэнергетических установок (ВЭУ), но чаще всего их делят на два: с горизонтальной и вертикальной осью вращения [2].
Горизонтально-осевые (пропеллерные) ВЭУ считают наиболее распространёнными. Из них более развитыми являются двух- и трехполосные ветроколеса, это говорит о том, что скорость вращения увеличивается при меньшем количестве крыльев. Достоинство данных ветроустановок: условия обтекания крыльев воздушным потоком не меняются, регулярны при циркуляции лопасти, а измеряется лишь скоростью ветра. Кроме этого, у них довольно значительный показатель использования энергии ветра, их быстроходность возможна больше пяти [3].
Вертикально-осевые (роторные) ВЭУ: ротор Савониуса (1929), ротор Масгроува (1975), ротор Дарье(1931). Замедление прогресса данных ветрогенераторов обусловлено следующими причинами: все они появились позднее горизонтально-осевых ветроустановок; совсем недавно, предполагалось невыполнимым получение быстроходности выше единицы; нарушение периодичности крутящего момента; изменение частоты вращения ветротурбины в зависимости от скорости ветра; высокая стартовая скорость ветра (15м/с) [4].
Исходные данные, применимы лишь к тихоходным роторам, которые используют разные сопротивления крыльев, движущихся по ветру и против ветра. Это поспособствовало неверным теоретическим результатам — предельное число, показывающее, какая часть воздушного потока используется ветроколесом у вертикально-осевых ветроэнергетических установок меньше горизонтально-осевых пропеллерных. Это стало причиной того что, ветроэнергетические установки долгое время не разрабатывались [4].
Достоинства вертикальных ВЭУ: функционирование при низких скоростях и при любой ориентации ветра. Поэтому, необходимости в дополнительном оборудовании нет, т. е. их механизм более прост. Некоторые из вертикально-осевых ВЭУ тихоходны, поэтому к ним применимы простые электросхемы для съема энергии, среди которых и асинхронные генераторы. Но тихоходность сужает использование вертикальных ВЭУ, поэтому приходится использовать повышающие редукторы — мультипликаторы, у которых достаточно низкий КПД. Использовать данное устройство без мультипликаторов проблематично [5].
В теории обосновано, что коэффициент использования энергии ветра совершенного лопастного устройства горизонтальных пропеллерных и вертикально-осевых установок равен 0.593. К настоящему времени на горизонтальных пропеллерных ветроэнергетических установках этот коэффициент составляет 0.48. Изучение экспериментов показывают, что на российских вертикально-осевых установках достижение значений 0.4–0.45 возможно. Отсюда видно, что коэффициенты использования энергии ветра на приведенных ВЭУ схожи [6].
Вертикально-осевые ветроэнергетические установки продуктивнее при малой (до 10кВт) мощности [6].
Приведем пример наиболее совершенных моделей вертикально-осевых ветродвигателей.
Ротор Савониуса (рисунок 1). По типу, самой популярной конструкцией, является напорная установка. Момент вращения появляется при обтекании ротора Савониуса воздушным потоком, благодаря различному сопротивлению выпуклой и вогнутой частей ротора [7].
Рис.1. Ротор Савониуса
Преимущества данной ВЭУ: низкая степень звука, компактность, хорошо работает при незначительных ветрах (3–5 м/с.). Ротору с вертикальной осью вращения не нужно устройство ориентации на ветер, что способствует упрощению конструкции — лопастная система отличается своей простотой. К недостаткам конструкции можно отнести низкую частоту вращения, это со временем может привести к усталости металла, а в дальнейшем и к ее уничтожению. Кроме того, эта турбоустановка самая тихоходная, и, следовательно, обладает крайне низким коэффициентом использования энергии ветра — около 0,18–0,24 и КПД 17–18 %.
Ротор Дарье (рисунок 2). Ротор имеет вид совершенного ветроколеса, которое содержит в себе два и более аэродинамических крыла, зафиксированных на радиальных балках. Работает за счет влияния подъемной силы на любую из рабочих плоскостей [8].
Рис. 2. Ротор Дарье
Показатель подъемной силы возрастает, если увеличивается угол между направлением скорости ветра и плоскости лопасти. Предельный максимум силы можно увидеть, когда вектора этих скоростей ортогональны. Вектор мгновенной скорости лопасти периодически меняется в ходе циркуляции ротора, момент силы, вырабатываемый ротором, тоже изменчивый. Для образования подъемной силы, действующей на крылья, требуется постоянная работа лопастей, поэтому ротор Дарье имеет плохой самозапуск. Он становится исправнее, если использовать три и больше крыла, но все равно нужен первоначальный запуск ротора.
Ротор обладает большой быстроходностью, значит, и условно большим отношением потребляемой мощности к его массе.
Турбина, в основе которой ротор Дарье, не требует определенного направления, так как его работа не подчиняется ориентации потока. Ротор имеет высокий показатель быстроходности при невысокой скорости потока и высокий показатель применения энергии потока: участок поверхности, описываемый плоскостями ротора, довольно большой [9].
Минусы ротора: слабый автозапуск; низкая механическая устойчивость; отсутствует наглядная математическая модель, это затрудняет проектирование ротора; высокая шумность, образуемая при работе [9].
Сравнивая ВЭС видно, что вертикально-осевые ВЭУ детально проще и владеют еще множеством достоинств над горизонтально-осевыми ветросистемами. Но все-таки, компонент употребления мощности ветра и КПД у них немного ниже, это способствует возрастанию габаритов, а в некоторых обстоятельствах и к увеличению расхода материала. Однако при применении вертикально-осевых ветроустановок с автономной работой или в качестве дополнительных источников электроэнергии этот недостаток сглаживается. Это происходит, потому что в автономном или резервном вариантах, ветроэлектростанции работают на нагрузку через аккумулятор, который работает в буферном режиме [10].
На сегодняшний день, вопрос эффективной эксплуатации энергоресурсов является одним из наиболее важных для экономики России. Именно поэтому данная проблема не обошла стороной и Омский регион.
Для построения ВЭУ нужно учитывать достаточно много природных факторов [11]. Одним из таких факторов является рельеф. Омская область расположена на юге Западно-Сибирской равнины в среднем течении Иртыша. Отсюда следует, что местность относительно плоская, с преобладающими абсолютными отметками 100–140 м.
Учитывая то, в Сибирских регионах средне годовые скорости ветра редко переступают пределы 4.5–5 м/с, можно прийти к выводу, что для Омского региона больше всего подходят Ветроэнергетические установки малой мощности. Вместе с тем, ВЭУ с вертикальной осью вращения (на основе роторов Дарье, Савониуса и их модификаций) работают на меньших скоростях ветра (5 м/с), чем ветроустановки с горизонтальной осью (8 м/с). Главная задача этих конструкций — небольшая и непостоянная скорость вращения ротора, решением которой является, использование мультипликаторов, многополюсных генераторов и аккумуляторов энергии.
Основную часть года, с сентября по апрель, в Омске преимущественно ветер юго-западного направления, его периодичность 25–35 % за месяц. Летом чаще преобладает северно-западный ветер 20–23 % за месяц, менее северный 16–19 % и западный 15 %.
Таблица 1
Скорость ветра вОмске
|
Средняя скорость ветра м/с |
||
|
За отопительный период |
За три наиболее холодных месяца |
|
|
Омск |
5 |
4.9 |
Средняя скорость ветра (таблица 1) обладает очевидным годовым ходом. Во все времена года, помимо лета, отслеживаются пиковые средние месячные скорости ветра 4–5 м/с. Летом скорости ветра минимальные в году, менее 4 м/с.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что использование ветроэнергетических установок малой мощности с вертикальной осью вращения, вполне применимо к Омскому региону.
Литература:
- Wagner H.-J. Introduction to wind energy systems. Basics, technology and operation / H.-J. Wagner, JyotirmanyMathur. // Springer. — 2013.
- Introduction wind turbine technology // Green Energy and Technology. T.38. — 2011.
- Воронин С. М. Работа ветроустановки при изменении направления ветра / С. М. Воронин, Л. В. Бабина. // Альтернативная энергетика и экология. — 2010. — № 1. — С. 98–100.
- Бубенчиков А. А., Артамонова Е. Ю., Дайчман Р. А., Файфер Л. А., Катеров Ф. В., Бубенчикова Т. В. Применение ветроколес и генераторов для ветроэнергетических установок малой мощности // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 5–2 (36). — С. 35–39.
- Морозов Д. А. Синтез ветроустановки малой мощности с вертикальной осью вращения / Д. А. Морозов. // Ижевск. — 2011.
- Вертикальный ветрогенератор, вертикальная ось вращения [Электронный ресурс] // ВЕТРОДВИГ.RUURL: http://vetrodvig.ru/vertikalnyj-vetrogenerator. (дата обращения 30.10.2016).
- Горелов Д. Н. Аэродинамика ветроколес с вертикальной осью вращения / Д. Н. Горелов.// Омск: Полиграфический центр КАН. — 2012. –68 с.
- Горелов Д. Н. Энергетические характеристики ротора Дарье / Д. Н. Горелов. // Теплофизикаиаэромеханика. Т.17. — 2010. –№ 3. — С. 325–333.
- Lee Y.-T. Numerical study of the aerodynamic performance of a 500w Darrieus-type vertical-axis wind turbine / Y.-T. Lee, H.-C. Lim. // Renewable Energy. T.83. — 2015.
- Морозов Д. А. Ветроэнергетическая установка малой мощности / Д. А. Морозов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2010. — № 6.
- Wiley J. Understanding wind power technology / J.Wiley. — 2014.
- Gasch R. Wind power plants. Fundamentals, design, construction and operation / R. Gasch, J. Twele. //Springer. — 2012.
- Wind in power. // European statistics. — 2014.
- Gash R. Wind Power Plants: Fundamentals, Desing, Counstruation and Operation. / R. Gash, J. Twele.
