Потребность в электрической энергии в современной жизни является практически беспрерывной — на освещение и отопление, для использования бытовой и иной техники. Потребителей интересует не только получение ресурса, в частности, электроэнергии, но и желание получения его на более выгодных условиях (либо большего объема за определенную плату, либо стандартного объема, но за меньшую плату).
Учитывая эти факторы, целью нашего исследования является разработка проекта бытовой Умной Маломошной ВетроЭлектроСтанции (УМ ВЭС) для повседневного обеспечения некрупных объектов (квартиры, частного дома) необходимыми объемами электроэнергии с большей эффективностью. Эффективность работы предлагаемой модели ВЭС малой мощности рассматривается нами с точки зрения ряда факторов: технических (конструктивных), экономических (результативных), эксплуатационных и экологических. Совокупность положительных изменений от реализации этих факторов, во многом зависящая от способности ВЭС выбрать оптимальный режим работы — самостоятельно «подстроиться» под направление ветра — создает итоговый эффект, называемый «умной» деятельностью.
Что касается технических характеристик умной ВЭС, то одними из основных вопросов, требующих определенного ответа для формирования опытного образца, являются следующие: ширина лопастей крыльчатки и уровень потерь энергии при изменении направления ветра по отношению к плоскости ветроколеса. Несмотря на существующие утверждения о наиболее оптимальных элементах конструкции ВЭС [1, с.41], наше исследование подкреплено собственными практическими испытаниями ветроэлементов и измерениями результатов их работы при различной скорости и направлениях ветрового потока, а также при разной ширине лопастей крыльчатки ротора.
Результаты лабораторных испытаний ветроэлемента с широкими и узкими лопастями крыльчатки ротора при прямом и угловом направлении ветрового потока наглядно представлены ниже на рисунках 1–3.
Рис. 1.
Как видно из рис. 1, на малых скоростях ветра эффективность работы ветроэлемента с узкой лопастью крыльчатки значительно хуже — снижение почти на 90 %. На хороших скоростях ветров (10–12м/с) — на пике работы — напряжение снижается лишь на 10 %. В среднем, потери эффективности из-за узких лопастей ротора составляют около 40 % (38,83 %) (в диапазоне скорости ветра от 5 до 16,5 м/с).
Рис. 2.
Данные лабораторных испытаний из рис. 2 показывают, что при отклонении вектора направления скорости ветра до 30° эффективность работы ветроэлемента с узкой крыльчаткой заметно снижается и, в среднем, составляет лишь половину — 49,84 % от широкой крыльчатки. С увеличением скорости ветра у него наблюдается заметное снижение потерь эффективности: с 53,7 % при 9м/с до 84,92 % при 16м/с. Причем, на малых скоростях углового ветра (5–6 м/с) узкие лопасти на опыте не раскручиваются.
Рис. 3.
Таким образом, ветроэлемент с широкими лопастями крыльчатки показал наилучшие результаты эксперимента. Напряжение, вырабатываемое генератором, выше, как при прямом (в среднем, почти на 40 %), так и при угловом ветре (на 50 %). Среднее снижение напряжения из-за изменения угла направления ветра на 30° небольшое — на 14,3 %. Широкие лопасти раскручиваются на малых скоростях ветра (5–6м/с) и, что наиболее важно, показывают практически равнозначную эффективность работы при прямом и угловом ветре — разница лишь в 4,5 %.
Исходя их проведенных опытов с ветроэлементами можно сделать вывод, что для лучших показателей эффективности работы УМ ВЭС необходимо снабдить конструкцию более широкими лопастями (это даст выигрыш в эффективности до 40 % по сравнению с узкими). Также следует внести конструктивное нововведение — дополнить модель ВЭС нежестким креплением стойки ветроэлемента, что обеспечит возможность вращения крыльчатки в зависимости от направления ветра (это повысит эффективность до 15 % за счет большего использования ветровой энергии).
Эксплуатационные характеристики УМ ВЭС нами предлагается оптимизировать за счет использования модульного принципа. Объединение нескольких ветроэлементов в отдельном модуле ВЭС позволяет формировать необходимое количество ветромодулей для заданного уровня мощности и возможностей монтажа. Модульный тип конструкции ВЭС является максимально «встраивающимся» в ограниченные территориальные (жилищные) условия большинства потребителей, что выступает несомненным преимуществом перед другими моделями ветроустановок. Помимо этого, замена одного крупнолопастного ветроэлемента на множество мелких дает синергетический эффект: чем большее число мелких крыльчаток охватывает рабочую площадь, тем меньше их суммарный вес [2, с.21–22]. И, в соответствии с квадратично-кубичным законом, удельный вес ветроколеса при одинаковой скорости ветра растет прямо пропорционально кубу диаметра крыльчатки, а мощность ВЭС — только его квадрату. Оптимальный размер ветроэлементов Умной Маломощной ВЭС — диаметр лопастей в пределах 0,12–0,30 метра (диаметр опытного образца, на котором проводились исследования — 0,12м).
Экономическая сторона вопроса в целях практического использования УМ ВЭС потребителями электроэнергии состоит из двух частей: затратах на изготовление данной ветроустановки своими собственными силами и сроках окупаемости вложенных средств. Оба ответа на поставленные вопросы с позиции экономической эффективности проекта должны удовлетворять основному условию — уменьшению расходов на энергоресурсы. Чтобы определить экономическую эффективность умной ВЭС, в первую очередь, следует рассчитать мощность одного ветроэлемента, исходя из чего (а также исходя из заданной мощности для обеспечения объекта электроэнергией) формировать количество элементов в одном модуле и, соответственно, количество модулей.
Теоретическая мощность ветроэлемента прискорости ветра в 10м/с составит [3]:
Nт =
→ Nт=
→ Nт = 8,5Вт, где:
– р — плотность воздуха 1,2кг/
(постоянная величина);
– S — площадь овевания лопастей (π • r², т. е. 3,14 • 0,12²/2²) м²;
– V — скорость потока ветра, м/
;
– диаметр крыльчатки = 0,12м (стандартный размер покупных лопастей).
В обычных условиях происходят потери энергии ветра, которые для ветростанций горизонтального типа (как наша ВЭС) учитывают коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) — в опытных целях минимальное значение 25 % → Nкиэв = 8,5 • 0,25 = 2,0 Вт.
Расчет вырабатываемой энергии одним элементом в месяц и в год имеет вид:
Nмес = 2,0 • 24 часа в сутки • 30 дней в месяц = 1440 Вт/ч, или 1,44 КВт/ч;
Nгод = 1440 • 12 = 17280 Вт /ч, или 17,3 КВт/ч.
Таким образом, исходя из статистической потребности средней квартиры в электроэнергии, равной 150 кВт/ч в месяц, и расчетной ежемесячной выработки энергии одного элемента ветростанции в 1,44кВт/ч, можно определить необходимое количество элементов в модулях в конструкции УМ ВЭС, а также ее размер. В нашем случае:
Количество элементов = 150 кВт: 1,44 кВт = порядка 100шт;
Размер экрана станции составит (10 х 10 элементов по 0,12м) = около 1,2м х 1,2м.
Размер модуля = 0,12м Х 1,2м; количество модулей = 1,2м: 0,12м = 10шт.
В итоге необходимо 100 вентроэлементов для размера умной ВЭС, равной 1,2 х 1,2м, состоящей из 10-ти смонтированных модулей станции 0,12м х 1,2м. В данной комплектации УМ ВЭС в состоянии вырабатывать 144 КВт в месяц, что согласно действующему тарифу в 3,3 руб./КВт, соответствует экономии 475 рублей в месяц и 5700 рублей в год.
Следующим шагом является расчет себестоимости изготовления умной ВЭС в обычных условиях, основной затратной частью которой выступает стоимость готовых ветроэлементов (рассматривается условие, при котором покупка совершена по розничной, т. е. максимальной цене, а не по оптовой цене, что было бы дешевле) по 50 руб. за каждый, т. е. 50руб. х 100шт. = 5тыс.руб. Дополнительные материалы — каркас, приборы для измерения напряжения, скорости ветра, аккумулятор — могут повысить общую себестоимость до 10 тыс. рублей. Далее простой расчет определяет довольно короткий срок окупаемости умной ВЭС: от 1 года 9 месяцев до 2-х лет, что относится к краткосрочным инвестиционным вложениям.
Последним, но не по значимости, фактором выступает экологический аспект работы умной ВЭС, которая, как проект технологии электрогенерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) представляет собой «генератор чистой энергии». Отсутствие вредного воздействия на окружающую среду и сохранение природных ресурсов являются весомыми аргументами в пользу развития ветроэнергетики в целом и ветроэлектростанций малой мощности, в частности. Недаром, во многих странах мира данному направлению в энергетике, имеющему экологическую составляющую, уделяется большое внимание [4].
Так, по данным Всемирной энергетической ассоциации WWEA, в Китае производство ветровой энергии составляет около 21 % от мировой выработки (80 ГВт), а выработка ветроэнергии в Германии достигает 35 % всего европейского ветроэнергетического рынка. Также лидером в данной сфере является Дания, доля энергии ветра в собственном балансе энергопотребления — 28 %. Наибольшее разнообразие количества и видов ветроэлектростанций принадлежит США и Великобритании, тогда как Индия занимает лидирующие позиции по темпам роста ветроэнергетической отрасли среди развивающихся стран. К сожалению, в нашей стране делаются только первые шаги к началу широкомасштабного развития ветроэнергетики, тем не менее, в соответствии с Национальной стратегией развития ВИЭ с 2018 года в России обеспечена государственная поддержка для крупных ветропарков суммарной мощностью 700 МВт и приоритетное финансирование для развития ВЭС средней и малой мощности в субъектах РФ [5].
В ситуации, когда на государственном уровне обозначена необходимость поддержки в организации систем ветроэлектрогенерации для некрупных потребителей, предлагаемая модель Умной Маломощной Ветроэлектростанции (УМ ВЭС), имеющей габариты простого бытового устройства и занимающей нежилое пространство обычной квартиры или частного дома, позволяет обеспечить такие важные для жизнедеятельности потребности, как:
– энергонезависимость объекта от общей энергосети;
– бесперебойность подачи электоэнергии в экстренных случаях;
– снижение расходов на оплату энергоресурсов;
– возможность выработки электричества в удаленных от коммуникаций местах.
И все это на условиях сохранения экологии и бережного отношения к природе.
В заключении следует отметить актуальность разработки альтернативных источников электрической энергии малой мощности бытового назначения, таких как УМ ВЭС, а также обозначить необходимость их широкого практического внедрения.
Литература:
- Рогозина Д. А., Хворова Т. С. и др. Проблемы и перспективы развития ветроэнергетических установок в России//Молодой ученый. 2016. № 22 (126). С.41.
- Уфимцев А. Г., Ветчинкин В. П. Ветросиловая плотина будущего//Техника — молодежи. 1951. № 12. С.21–22.
- Кабардина С. И., Шефер Н. И. Измерение физических величин: элективный курс [Электронный ресурс] — Режим доступа: //http.www.mashol.com/
- Материалы специальной сессии 23-го Мирового энергетического конгресса REENCON –XXI. 2016. [Электронный ресурс] — Режим доступа: //http.www.kremlin.ru/
- Перспективы ветроэнергетического рынка в России/Материалы международной конференции. 2017. [Электронный ресурс] — Режим доступа: //http.www.windea.org/
