Про баштові вітроустановки

Про баштові вітроустановки
Погоня за збільшенням потужностей установок привели до вітряків неймовірних розмірів

Сьогодні людству вкрай необхідне нове надійне джерело електроенергії, щоб відповідало вимогам нашого часу – низька ціна виробленої електроенергії, висока якість і екологічна чистота виробництва електроенергії. Обсяг виробленої енергії повинен задовольняти постійні зростаючі потреби економіки.

Про баштові вітроустановки
Рис. 1. Технічна система вітер-вітряк

Трохи з історії. Енергія вітру використовувалася людством з давніх-давен. Спочатку людина навчилася перетворювати кінетичну енергію повітряного потоку (вітру) в механічну – з’явилася величезна різноманітність вітряних млинів.

Про баштові вітроустановки
Рис. 2. Схема конструкції баштової вітряної установки

Ідея вітрогенератора для вироблення електричної енергії з використанням енергії вітру з’явилася трохи більше 100 років тому. Вже в ті часи винахідниками була створена величезна різноманітність вітряних конструкцій, що відрізнялися розміщенням осі обертання лопатей (горизонтальна, вертикальна, похилена), формою і кількістю лопатей (одна, дві, три і більше), потужністю (від десятків Ватт до декількох мВатт), конструкцією генераторів і т.п.

Але в гонитві за збільшення потужності виникли нові проблеми: габарити сучасних вітряків і динамічні навантаження, які сприймаються ними, призвели до того, що характеристики міцності матеріалів, з яких вони будуються, стали стримувальним фактором. Подальше нарощування потужності габаритів вітряків можливе тільки із застосуванням найновіших, а значить і більш дорогих, матеріалів. Це відповідно позначається на зростанні і без того високих цін на енергію, що виробляється ними.

Більш потужні вітряки вимагають великих швидкостей вітру. У наш час все складніше знайти вільні місця для розміщення вітряків, а енергії людству потрібно все більше і більше.

Сьогодні вітроенергетика переживає період бурхливого зростання, темпи якого досягають 30% на рік. Але разом з ентузіастами у вітроенергетики останнім часом все більше з’являється і скептиків. Це й зрозуміло. Вітроенергетика, володіючи такими привілеями як екологічна чистота виробництва електроенергії і використання поновлюваного джерела енергії, має і ряд суттєвих недоліків. Це низька якість виробленої енергії, створення всіляких перешкод теле- і радіосигналів, негативний вплив в звуковому діапазоні на фауну, необхідність в додаткових резервних енергогенерувальних потужностях традиційної конструкції і т.п. І все більше стурбованих негативними тенденціями у вітроенергетиці цілком обґрунтовано задаються питаннями:
– перспективність вітроенергетики;
– економічна значущість вітроенергетики в світовій енергетиці;
– чи виправданими будуть інвестиції.

Ситуація на світовому ринку нафти і газу підштовхує до розвитку видів генерації, які використовують відновлювані джерела енергії. Але висока ціна такої електрики і її низька якість не додають оптимізму в оцінці перспектив вітроенергетики. Один з варіантів виробництва електроенергії, який багато в чому відповідає сучасним вимогам, представлений нижче.

Все нове – добре забуте старе! Вся вітроенергетика принципово побудована на двох елементах: джерелі енергії (вітер) і приймачі енергії (вітряки). З перших кроків освоєння енергії вітру і до нашого часу винахідники займалися вдосконаленням приймача енергії, а джерело енергії (вітер) сприймався ними як явище, дане природою, і не піддавалося управлінню.

Багато в чому саме це зумовило появу більшості недоліків, властивих сучасній вітроенергетиці.
В новій технічній системі «вітер – вітряк» обидва складових елемента однаково значущі. І тільки управління всіма елементами системи дозволяє отримати високу ефективність від її роботи.

Новий апарат зі збору енергії виконаний у вигляді вертикального циліндра, стінки якого зібрані з профільованих поверхонь, що утворюють наскрізні канали, які з’єднують зовнішню поверхню циліндра з його внутрішнім вертикальним каналом (вхідні конфузорні канапи), в завдання яких входить захоплення і поворот активних потоків вітру вгору вздовж вертикальної осі установки і спрямування їх на лопаті генератора.

Генератор. Генератор з лопатями розміщений всередині апарату концентрації енергії. Генератор перетворює кінетичну енергію повітряного потоку в електричну.

Апарат концентрації енергії конструктивно виконаний у вигляді вертикальної труби, внутрішній перетин якої плавно зменшується до центру, де і розташований генератор. Внутрішній об’єм цієї труби є продовженням внутрішнього вертикального каналу апарату збору енергії. Така конструкція даного вузла дозволяє підвищити концентрацію кінетичної енергії повітряного потоку на лопатях генератора.

Система управління (на малюнку не показана) забезпечує своєчасне відкриття конфузорних каналів вежі з боку набігання зовнішнього повітряного потоку і закриття всіх інших конфузорних каналів.

Чим відрізняється баштова конструкція вітряної установки від вітряків? Баштова вітряна конструкція дозволяє управляти енергією повітряного потоку шляхом концентрації її на лопатях генератора: відпадає необхідність в налаштуванні лопатей ротора генератора на вітер; генератор установки з вертикальною віссю обертання, стаціонарно встановлений у верхній частині конструкції, вітер сам налаштовується на генератор. Завдяки цьому значно підвищується потужність повітряного потоку, що приходить на лопаті ротора генератора. Конструкція апарату концентрації енергії дозволяє підвищувати швидкість повітряного потоку у внутрішньому вертикальному каналі установки і, відповідно, підвищувати його потужність.

Про баштові вітроустановки
Рис. 3. Схема порівняльних лабораторних випробувань баштового типу Основні характеристики: діаметр вітротурбіни – 1,2 м; стартова швидкість вітру – 3 м/сек; макс. експлуатаційна швидкість вітру – 35 м/сек; номінальна частота обертання – 800 об/хв.; номінальна напруга генератора – 12 В; номінальна потужність генератора при 8 м/сек – 150 Вт; маса – 9 кг

Проведені експериментальні дослідження моделей в аеродинамічній трубі (рис. 3) показали збільшення вироблення енергії генератором, встановленим в башті, більш ніж в 4 рази, а для малих швидкостей повітряного потоку – більше ніж в 10 разів (рис. 4 і 5).

Про баштові вітроустановки
Рис. 4. Графік вироблення електроенергії генератором
Про баштові вітроустановки
Рис. 5. Збільшення вироблення енергії при розміщенні генератора на башті

Для підтвердження отриманих лабораторних результатів була побудована дослідно-експериментальна установка в масштабі 100: 1. Схема випробувань – порівняльна (аналогічна використовуваній в лабораторії), представлена ​​на рис. 6. У порівняльних випробуваннях на полігоні використовувалися генератори на постійних магнітах CB-1,2/ 30.

Про баштові вітроустановки
Рис. 6. Схема порівняльних випробувань в умовах полігону

Вітер. Удосконалюючи приймач енергії, людина відкинула ідею керування повітряним потоком за непотрібністю. А дарма! При сучасному рівні технічного розвитку управління такими системами може бути організовано вкрай ефективно.

Але розвиток вітроенергетики пішов іншим шляхом. В даний час практично всі вітряки працюють за одним принципом – зняття енергії з вільного повітряного потоку. Тому вирішили розробити принципово нову технічну систему, яка дозволила б управляти як джерелом енергії, так і її приймачем. Таким чином, використовуючи досвід і накопичені знання у галузі будівництва і експлуатації вітряків, можна значно підвищити ефективність їхньої роботи за рахунок керування параметрами повітряного потоку (джерелом енергії).

Одним з результатів багаторічних досліджень стали вітряки баштового типу з різним ступенем ефективності, що допомагає керувати всіма елементами системи «вітер-вітряк».

Вітряки баштового типу складаються з наступних основних елементів: апарата збору енергії, генератора, апарата концентрації енергії і системи управління.

Аналіз отриманих результатів показує значне зростання ефективності роботи генератора при його розміщенні в башті-концентраторі:
– стартова швидкість вітру в два рази нижча в порівнянні з традиційними конструкціями;
– швидкість вітру, при якій генератор працює в номінальному режимі – в 2 рази нижча;
– коефіцієнт використання встановленої потужності може досягати позначок 0,6… 0,7 (отримано розрахунковим шляхом);
– в 2-3 рази вище обсяг вироблюваної енергії;
– обсяг виробленої енергії з одиниці площі захоплюваної поверхні для всіх діапазонів швидкостей повітряного потоку виріс більше ніж в 5 разів, а в діапазоні низьких швидкостей – більш ніж в 10 разів.

Про баштові вітроустановки
Схема конструкції баштової вітроустановки (БВУ)

Конструктивні особливості нової вітроустановки дозволяють усунути багато недоліків, властиві вітрякам традиційної конструкції. До таких недоліків відносяться шуми і шкідливі для людини випромінювання, які можуть виникати в процесі роботи генератора баштової вітряної установки – не виходять за конструктивні габарити установки. Це досягається завдяки тому, що генератор з лопатями розташований всередині вертикального каналу установки. Сучасні матеріали дозволяють ефективно гасити або поглинати всі шкідливі шумові та вібраційні випромінювання. З цієї ж причини генератор і лопаті баштової вітряної установки не будуть перешкодою поширенню теле- і радіосигналам.

Установка не завдає шкоди птахам. Попадання птахів на лопаті генератора можна запобігти за рахунок установки захисних сіток на вході в конфузорні канали. Для запобігання зіткнень птахів з БBУ (баштовими вітряними установками) в нічний час доби зовнішня поверхня конструкції освітлюється, що дозволить поліпшити і зорове сприйняття вежі.

Баштова конструкція вітряної установки за своїми технічними характеристиками значно перевершує всі сучасні вітряки традиційної конструкції, що працюють з вільним потоком повітря. Вітряки баштового типу – гідна заміна вітряків традиційної конструкції. Вони можуть працювати при більш низьких швидкостях вітру, що дозволяє значно збільшити кількість вироблюваної електроенергії. Їхня ефективність ніяк не нижче традиційних станцій генерації електроенергії, що використовують вуглецеве паливо: газ, вугілля, мазут, нафту, а екологічна чистота виробництва електроенергії не має аналогів.

Вітряні установки баштового типу ефективно можуть працювати в регіонах з малими швидкостями вітру.

Про баштові вітроустановки
Рис. 7. Виробіток електроенергії генераторами
Про баштові вітроустановки
Рис. 8. Відносне збільшення вироблення енергії генератором в башті

Завдяки своїй компактності, такі установки можуть служити автономним джерелом енергії. Вітряна установка баштового типу сьогодні – це низька собівартість і висока якість виробництва екологічно чистої енергії. І звичайно ж, вітряні установки баштового типу не вирішать всі енергетичні проблеми міст, але внесуть вагомий внесок в їхнє рішення.