До недавнего времени одним из главных недостатков вертикально-осевых ветроэнергетических установок считали невозможность получения быстроходности более единицы, что было ошибочным суждением (для сравнения быстроходность горизонтально-осевых ВЭУ в некоторых случаях бывает больше 5). Также к недостаткам можно отнести зависимость частоты вращения ветроколеса от скорости ветра, неравномерность крутящего момента и значительную пусковую скорость ветра (приблизительно 15 м/с) [1].
Однако, это верно лишь для тихоходных роторов с лопастями, сопротивление движению которых различно. Вследствие этого имеют место неправильные теоретический вывод: коэффициент использования энергии потока воздуха у вертикально-осевых ВЭУ имеет меньшее значение, нежели у горизонтально-осевых ВЭУ. Ветроколеса с вертикальной осью вращения при любом направлении ветра находятся в рабочем положении из-за своей геометрии. Отсутствие принципиальной зависимости эффективности их работы от направления ветра обуславливает отсутствие необходимости в системах ориентации на ветер.
Установлено, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса горизонтальных пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ составляет 0.593. Сейчас на горизонтальных пропеллерных ветроэнергетических установках он составляет 0.48, и это максимально достигнутый коэффициент использования энергии ветра. Проведенные экспериментальные исследования на российских вертикально-осевых ВЭУ показали, что вполне реально достичь значения 0.4–0.45. Таким образом, коэффициенты использования энергии ветра вертикально-осевых ВЭУ и горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ достаточно близки [2].
Достоинством ВЭУ вертикально-осевого исполнения является то, что размещение генератора установки возможно на фундаменте этой же установки. Это позволяет отказаться от мощной, а следовательно, как правило, и многоступенчатой, угловой передачи крутящего момента, что позволяет исключить ограничения по габариту и массе, и упрощает требования к условиям эксплуатации (так как отсутствуют толчки и вибрация). Как следствие передача вырабатываемой электроэнергии упрощается.
Развитие ветродвигателей с вертикальной осью вращения можно сопоставить с патентами на конструкции, которые успешно находят применение и в настоящее время:
– ротор Савониуса (С. Ж. Савониус, Финляндия, 1922 г., рисунок 2а);
– ротор Даррье (Ж. Ж.-М. Дарриус, Франция, 1931 г., рисунок 2б);
– ротор Масгрова (П. Масгров, Великобритания, 1975 г., рисунок 2в);
– ротор «Виндсайт» (Р. Йутсиниеми, Финляндия, 1979 г., рисунок 2г);
– геликоидная турбина Горлова (А. Горлов, США, 2001 г.), которую с незначительными отличиями воспроизводят турбины ВЭУ «Tvister», «Turby», «Quitrevolution» (рисунок 2д) и др [3].
Рис. 2. Конструкции роторов ВЭУ
Из Российских работ над конструкцией ветроколес стоит отметить патент ООО «ГРЦ-Вертикаль» (RU), которое в лице Грахова Ю. В., Кузнецова В. М., Матвеенко О. В., Соломина Е. В., Максимова В. Ф. и Кривоспицкого В. П. разработали конструкцию ветроколеса с вертикальной осью вращения. Изобретение относится к компоновке самого ветроколеса, и может быть использовано в энергетике с возобновляемыми источниками. Данного изобретение помогает уменьшить влияние действующих моментов и аэродинамических сил на ступицу ветроколеса, как следствие на подшипниковые узлы, опорное основание и мачту колебательной составляющей, на лопасти ветроколеса и обеспечение плавной сбалансированной работы ветроколеса при любых ветровых режимах. Эти эффекты достигаются путем соединения несущих элементов лопастной системы ветроколеса со ступицей при помощи тросов, предварительно растянутых [4].
Из Российских работ над конструкцией ветроколес стоит отметить патент ООО «ГРЦ-Вертикаль» (RU), которое в лице Грахова Ю. В., Кузнецова В. М., Матвеенко О. В., Соломина Е. В., Максимова В. Ф. и Кривоспицкого В. П. разработали конструкцию ветроколеса с вертикальной осью вращения. Изобретение относится к компоновке самого ветроколеса, и может быть использовано в энергетике с возобновляемыми источниками. Данное изобретение помогает уменьшить влияние моментов и аэродинамических сил, действующих на ступицу ветроколеса, как следствие на подшипниковые узлы, опорное основание и мачту колебательной составляющей, на лопасти ветроколеса и обеспечивает плавную сбалансированную работу ветроколеса при любых ветровых режимах. Эти эффекты достигаются путем соединения несущих элементов лопастной системы ветроколеса со ступицей при помощи растянутых тросов [4].
Одной из причин развития ветронергетики является необходимость принятия срочных мер, предотвращающих дальнейшее изменение климата, что считается серьезнейшей проблемой глобального характера. Киотский протокол 1997 года обязал страны Организации экономического сотрудничества и развития (OECD) сократить выбросы диоксида углерода (углекислого газа) в среднем на 5 %.
Важность и необходимость развития возобновляемой энергетики определяет также децентрализованное энергоснабжение 70 % территории России, и эта территория подходит для использования ВЭУ, что обуславливается наличием потенциальных ветроресурсов (Камчатка, Якутия, Сахалин, Бурятия, Таймыр, Чукотка и др.). В этих районах, как правило, труднодоступны или полностью отсутствуют местные резервы ископаемого органического топлива, из-за чего возникает проблема строительства сетей с централизованной энергопередачей, а именно: экономическая нецелесообразность, а зачастую и невозможность технической реализации.
Тенденции развития вертикально-осевых ВЭУ.
Современную волну интереса к вертикально-осевым ветроэнергетическим установкам можно объяснить такими объективными причинами как:
– резервы развития горизонтально-осевых ВЭУ практически исчерпаны (строить более крупные установки при современном уровне развития технологий уже невозможно);
– энергетические характеристики некоторых конструкций вертикально-осевых ВЭУ при значительно более простой конструкции, когда в большинстве случаев не требуется наведение на ветер, относительно высоки;
– незначительный уровень вибрации и шумов.
Можно выделить некоторые тенденции, наблюдаемые в области проектирования, производства и эксплуатации ВО ВЭУ в настоящее время:
– Компьютерное моделирование;
Широкое использование компьютерного моделирования. Успехи в развитии современных математических методов и программных средств, позволяют создавать достаточно точные проектные расчеты при наличии турбулентных процессов, располагающих место при работе ВЭУ данного типа. На рисунке ниже приведены характерные формы представления результатов применения программных средств, реализующих метод конечных элементов для расчета поля скоростей воздушного потока, проходящего через сечение ротора ВО ВЭУ. Благодаря компьютерному моделированию рассматриваемая область ветроэнергетики получила мощный толчок в развитии.
– Строительство оффшорных ветропарков на базе ВО ВЭУ;
Важной тенденцией, рассматриваемой в современной ветроэнергетике, является строительство ветропарков на континентальном шельфе. Строительство ветропарка выгоднее, чем строительство отдельной ветроэлектростанции. Оффшорные парки могут решить более широкий круг проблем, например требования по шумам и вибрациям снижается до минимума, а стробоскопический эффект не учитывается вообще. Еще к тому же в береговой зоне, как правило, преобладают устойчивые ветры с высокими скоростями. До недавнего времени в оффшорных ветропарках использовались только горизонтально-осевые ВЭУ. Не так давно в Интернете опубликована информация о запланированном строительстве объекта установленной мощностью 10 МВт на базе вертикально-осевых установок.
– Быстрое продвижение китайских производителей;
Еще несколько лет назад в Интернете обнаружить рекламу китайского предприятия по производству ВЭУ было практически нереально. Сегодня среди первых двадцати страниц поиска на тему ВО ВЭУ кроме китайских предприятий очень редко встречаются европейские и американские. Характерной особенностью китайской ветроэнергетики является то, что в производство идет любое устройство, которое произведет электроэнергию из энергии ветра независимо от принципа действия и величины. Цены китайской продукции намного ниже, но и качеству далеко до совершенства. Однако всем нам знаком объективный закон перехода количества в качество, согласно которому в ближайшие годы можно ожидать появления нового мирового лидера в области ветроэнергетики. Как отмечалось выше, уже сегодня Китай занял одно из ведущих мест в мире по установленной мощности ВЭУ [3].
Российские достижения
Научно-исследовательская лаборатория технологий энергетики возобновляемых источников Международного института компьютерных технологий (НИЛ ТЭВИ МИКТ, г. Воронеж) совместно с учебно-исследовательской лабораторией альтернативных энергетических технологий и установок (УИЛ АЭТУ) Воронежского государственного технического университета в течении нескольких лет проводит исследования в области ВО ВЭУ. Под руководством автора в лабораториях были произведены продувки масштабных моделей некоторых роторов.
В результате проведенных исследований по заказу ЗАО «Балтийский станкостроительный завод» разработана перспективная конструкция ВО ВЭУ, демонстрационный масштабный образец которой в сейчас находится в стадии изготовления.
Рабочая установка состоит из оригинальной конструкции лопасти из композитного материала, магнитный подвес ротора и многополюсный генератор прямого привода с возбуждением от постоянных магнитов. Преобразование энергии происходит по схеме: ветротурбина — синхронный генератор — регулируемый выпрямитель — буферный накопитель энергии — инвертор — сеть или потребители.
Фирма ВЕСТАС, которая занимает большую честь на мировом рынке ВЭУ, прошла почти сорокалетний путь в поисках данной схемы, которая на данный момент считается самой перспективной.
Приемлемый КПД устройства обеспечивается с помощью регулирования нагрузки в зависимости от (скорости ветра или крутящего момента) и использованием пассивного магнитного подвеса, который на данный момент довольно широко применяется в подобных конструкциях [3].
Литература:
- Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 392 с.
- Соломин, Е. В. Ветроэнергетические установки ГРЦ-Вертикаль / Е. В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. — 2010. — № 1. — С. 10–15.
- [Электронный ресурс] URL: http://www.energyland.info/analitic-show-52412. (дата обращения 04.01.2017).
- [Электронный ресурс] URL: http://www.findpatent.ru/patent/244/2443902.html. (дата обращения 05.01.2017).
