Вітроенергетика – далеко не нова галузь енергетичного забезпечення, проте в нинішніх умовах вона набуває все більш виражені риси перспективного напряму для подальшого розвитку. Поки ще складно говорити про універсальні концепціях технічної реалізації вітрових генераторів, але успіхи у використанні окремих інженерних рішень дають підстави вважати, що в недалекому майбутньому з’явиться і єдина уніфікована конструкційна модель. На даний же момент в світі використовується кілька видів вітроенергетичних установок, кожен з яких має свої сильні сторони.
Загальний принцип роботи вітрогенераторів
Як і більшість сучасних альтернативних джерел енергії, вітрогенератор функціонує за рахунок сили, діючої в результаті природного процесу. Мова йде про потоки вітру, що утворюються в результаті нерівномірного нагрівання земної поверхні Сонцем. Майже всі вітрогенераторні установки працюють за наступним принципом: повітряні потоки обертають колесо на спеціальному валу з лопатями, транслюючи таким чином крутний момент генератора або акумуляторної блоку. В умовах стабільності та достатньої сили руху повітря вітряки для вироблення електроенергії здатні забезпечувати коефіцієнт корисної дії на рівні 45-50 %. Як раз мінливістю вітру і його сили обумовлено широке різноманіття конструкцій вітрогенераторів, які розраховуються у тому числі виходячи з конкретних кліматичних умов застосування.
У чому основні переваги вітрогенераторів?
Оцінювати ефективність роботи вітряків можна як у порівнянні з традиційними джерелами енергії, так і на тлі генераторів, що працюють на поновлюваних безкоштовних ресурсах. Найбільш вираженими перевагами таких систем, які і дають надію на їх успішний розвиток в майбутньому, є наступні фактори:
- Енергія вітру сама по собі не тільки поновлюється, але і доступна для акумуляції і обробки.
- Економічна вигода. Однозначних оцінок щодо конкретних економічних показників поки що не може бути в силу різноманіття систем, що працюють з різною продуктивністю. Але можна говорити про видатні результати, які демонструють окремі проекти. Наприклад, скільки коштує кіловат електроенергії від морського великого вітряка? Мова може йти про діапазоні 2-12 крб. за 1 кВт·год.
- Екологічна чистота. Робота вітрогенераторних станцій не передбачає шкідливих викидів, що забруднюють атмосферу.
- Компактність. Установка вітряка навіть в промисловому форматі не може порівнюватися з традиційними енергетичними станціями. Багато в чому це пов’язано з автономністю і незалежністю таких систем від допоміжних комунікацій і ресурсів.
Горизонтально-осьові генератори
Конструктивна схема таких вітряків передбачає наявність електричного генератора, редуктора, лопатей і вежі зі станиною. Конфігурація лопатей реалізується таким чином, що повітряні потоки потрапляють у лійку, що створює момент кручення. Важливою умовою роботи таких вітряків для вироблення електроенергії є здатність підлаштовуватися під характеристики руху потоків (напрямок і сила). Для цього конструкції забезпечуються механізмами повороту і нахилу лопатей по відношенню до земної поверхні. У найбільш розвинених моделях застосовуються і контролери з автоматичним управлінням. Що стосується реалізації вітроколеса, то частіше в горизонтальних схемах застосовується трилопатева конфігурація. Причому у цілях підвищення продуктивності генераторів інженери прагнуть нарощувати розміри функціонально-приймальні частини, що, приміром, пояснює і сучасну тенденцію переходу від пластику і легких металів до дорогих композитним елементів при виготовленні конструкцій.
Вертикально-осьові генератори
У таких генераторів є вагома перевага перед горизонтальними конструкціями, яке полягає у відсутності необхідності додаткових засобів контролю та управління установкою. Тобто у процесі роботи вітряк з вертикальною віссю ніяк не підлаштовується під рух потоків. Ця особливість взаємодії з повітряними масами одночасно знижує напруга в лопатях вітрогенератора і скорочує гіроскопічні навантаження. Генератор з редуктором, що формують двигун установки, можуть розташовуватися у підставі вежі конструкції без ризиків пошкодження або виходу з ладу. Але чому ж при описаних достоїнства вертикальні установки не повністю витіснили горизонтальні вітряки? На жаль, у таких моделей є й істотні мінуси. Оскільки вітроколесо не орієнтується на потоки вітру і завжди працює у вузькому спектрі діапазонів захоплення енергії, то логічно знижується і продуктивність генератора. Тому для підтримки достатньої потужності вертикальних вітряків потрібно їх масове використання з охопленням великих площ, що не завжди можливо.
Конструкції на базі ротора Дар’є
Вітроелектричні генератори з вертикальним пристроєм робочого колеса базуються на схемі ротора Савоніуса або Дарині. Але і в цій групі є свої варіації та сучасні модифікації. Найбільш перспективною розробкою останнього часу вважається гелікоідной турбіна Горлова, створена в 2001 р. Вона є свого роду продовженням концепції ротора Дар’є, але в більш спрощеному вигляді. Спіралеподібні вертикальні лопасті дозволяють виробляти енергію з потоків води і повітря при мінімальній активності. Сьогодні такі генератори використовуються як на спеціалізованих вітрових фермах, так і в складі гідроелектростанцій.
Вітрогенератори з потокоусилителями
Теж в деякому роді продовження класичних конструкцій вітряків, але з поправкою на нинішні високотехнологічні умови експлуатації. Модифікації з потокоусилителями відрізняються наявністю одного або декількох жолобів, які призначені для концентрації повітряних потоків. Аеродинамічні конусоподібні елементи у вигляді тих самих жолобів збирають потоки на великій площі, орієнтуючи їх в одну точку напрямки і збільшуючи тим самим швидкість руху лопатевої системи. Складність використання вітроенергетичних установок з потокоусилителями полягає в тому, що вони вимагають застосування додаткової елементної групи. Більш того, домогтися істотного підвищення продуктивності в таких системах вдається тільки за рахунок підключення допоміжних джерел енергії, що не завжди економічно виправдовується.
Безредукторны вітрогенератори
У руслі ідеї конструкційної оптимізації з’явився і варіант вітроелектричної установки, позбавленої редуктора. Замість нього застосовується кільцевий канал, забезпечений внутрішнім металевим стрижнем. Це кільце встановлюється навколо роторного обода. Тут же розміщується група магнітів, яка взаємодіє з металевим стрижнем, тим самим сприяючи виробленню струму. Продуктивність вітроенергетичних установок без редуктора з діаметром ротора близько 200 см може досягати 1500 кВт·год на рік. Принциповим перевагою такої конструкції можна назвати зниження енерговитрат, природно виникають в роботі генераторів, забезпечених редукторами. Але за це гідність доводиться розплачуватися обмеженнями швидкісних режимів. Для того, щоб установка увійшла в оптимальний робочий процес, потрібна швидкість потоків не менш 2 м/с.
Особливості промислових вітрогенераторів
Вітряки промислового призначення мають два принципові відмінності – великі розміри і високу енергетичну потужність. З цих особливостей відбуваються як переваги, так і недоліки станцій такого типу. Що стосується конструкції, то досить сказати, що висота сучасних промислових вітряків може досягати 150-200 м, а мах лопатей – більше 100 м. Для утримання такої масивної конструкції виробляються масштабні будівельні роботи з влаштування фундаменту майданчики. Висока потужність також вимагає ускладнення функціональної інфраструктури. Так, для управління процесом перетворення енергії застосовуються контролери вітрогенератора, що забезпечують облік поточного заряду акумуляторного блоку. Крім того, в електротехнічній начинці таких установок передбачаються інвертори і системи захисту від коротких замикань.
Особливості побутових вітрогенераторів
Прості вітряки можна не просто використовувати вдома, але і збирати вручну. Як правило, це малорозмірні установки висотою не більше 10 м, здатні працювати на потужності 0,5-5 кВт. В якості пасивного джерела енергії для побутових приладів або окремих груп електротехнічних пристроїв такий варіант себе цілком виправдовує. Втім, компактні вітроенергетичні установки у великій кількості сьогодні застосовуються і великими компаніями для живлення виробничих потужностей. На базі ферм міні-вітряків формуються досить продуктивні і надійні системи, які можуть конкурувати і з високопотужними поодинокими генераторами.
Особливості морських вітрогенераторів
Популярність такого типу вітряків обумовлена декількома перевагами перед станціями, які розміщуються на суші. Головним чином мова йде про більш стабільних умов роботи, так як у видаленні від берегової лінії потоки вітру не зустрічають перешкод. При цьому конструкції вітроенергетичних установок морського типу поділяються на дві групи – опорні і плавучі. Перші встановлюються на мілководді з класичної опорою в грунті під водою. Плавучі станції, відповідно, мають власну плаваючу платформу з фіксацією за допомогою якорів і інших морських пристосувань.
Поєднання конструкцій вітрогенераторів з каркасами будівель
Існує і досить перспективна група вітряків, які буквально інтегруються в корпуси висотних будівель. Таке рішення має дві переваги – вигідні умови для прийому» потоків та скорочення шляху доставки електроенергії, оскільки кінцевим джерелом постачання зазвичай і виступають споживачі всередині будівлі. На даний момент інтеграція вітроенергетичних установок цього типу найчастіше проводиться за допомогою спеціальних аеродинамічних циліндрів, які кріпляться на дахах хмарочосів. Також розвивається і концепція міні-пропелерів, які взагалі можуть розміщуватися в будь-якій частині високого будівельного об’єкта. Пристрої буквально інтегруються в стіни, після чого підключаються до загальної системи енергопостачання, видаючи невеликий, але стабільний обсяг енергії.
Висновок
За останні роки інтерес до ветрогенераторам істотно зріс в Росії. Періодично в різних регіонах вводяться в експлуатацію великі станції потужністю до 30-50 МВт. Для нашої країни вітряки особливо корисні з тієї причини, що вони дозволяють забезпечувати енергією віддалені регіони, де на поточний момент немає можливості організації інших засобів енергопостачання. Активно розвивається і сегмент малих вітрових електростанцій. В Росії великою популярністю стали користуватися індивідуальні енергосистеми потужністю 1-5 кВт. При цьому розробники не відмовляються від поєднання принципів роботи вітряків з двигунами внутрішнього згоряння. Успіхи в цьому напрямку демонструють, зокрема, ветродизельные конструкції. Наскільки вітряна енергетика в принципі буде затребувана в Росії в найближчі десятиліття, поки складно говорити, так як поки ще міцні позиції традиційних джерел енергії. Але тенденції переходу на альтернативну енергетику у світі, швидше за все, сприятимуть і російську промисловість активно освоювати такі напрями.
