1.4. Проблеми вітроенергетики.

Вітер забезпечує дуже розсіяний енергоресурс. Природа не зібрала вітри в яких-небудь окремих родовищах подібно паливним копалинам , і не пустила вітри по руслах подібно до рік. Кожна рухома повітряна маса розсіяна на великих площах .Розсіяність і мала концентрація характерна і для сонячної енергії, але з вітром ще гірше. Його основні параметри - швидкість та напрямок змінюються значно швидше та в більш широких межах цілком непередбачено. В результаті по надійності вітер майже всюди поступається перед сонцем.

Таким чином, існують дві головні проблеми проектування вітроенергетичних установок (ВЕУ).

По - перше, з врахуванням розсіяності вітру прагнуть знімати його кінетичну енергію з максимальної площі. Для ВЕУ звичайної конструкції (вітрове колесо на горизонтальній вісі)- це площа круга ,який описують лопасті при обертанні. Така площа у спеціалістів називається омітаємою площею (ОП). При цих умовах прагнуть збільшувати діаметр колеса (довжину лопатей). Відомі проекти гігантських ВЕУ з діаметром вітрового колеса до 120м. Але для таких габаритів потужні вітри стають вже небажаними із умов безпеки використання ВЕУ. При цьому при розрахунках на міцність необхідно звертати увагу навіть на малоймовірні ураганні пориви і ще більше ускладнювати та збільшувати вагу громісткої конструкції.

По-друге, ще більш важливою є необхідність досягти рівномірності, постійності вітрового потоку на лопатях. Адже якість електроенергії, яку виробляє ВЕУ, визначається саме стабільністю моменту обертання та кутовою швидкістю на валу її генератора. Але якщо перша проблема хоч якось вирішується ,то друга являється ще більш складною.

Загальний висновок такий, що необхідна установка принципово нової конструкції. Знайти підходи до неї допоможуть нескладні математичні дослідження. Розглянемо, від яких основних параметрів залежить енергетична ефективність ВЕУ.

Як відомо, кінетична енергія переміщуємого зі швидкістю V тіла масою m визначається формулою W=mV²/2.

Якщо мова йде про повітряний потік, то V ,звичайно, і є його швидкість. Для визначення маси m повітряного потоку необхідно враховувати об’єм повітря, яке проходить через ОП за одиницю часу, тобто m=ρ∙S∙V, де ρ – це густина повітря; S=ОП; V – та ж швидкість вітру.

Тоді початковий вираз для визначення енергії буде мати вигляд

Це величина енергії на одиницю часу, тобто потужність. Навіть поверхневий аналіз приведеної формули показує , що потужність вітру від величини площі S знаходиться в лінійній залежності, а від швидкісті вітру V – в кубічній.

Прості міркування підказують, що при збільшенні ОП в 2 рази, потужність ВЕУ можна збільшити (приблизно також в 2 рази),а при збільшенні швидкості вітру в 2 рази потужність ВЕУ може збільшитися у 8 разів (без врахування виробничих витрат). Тобто збільшення швидкості вітру в 2 рази являється в 4 рази більш ефективним актом ніж збільшення площини ОП в тіж 2 рази.

Таким чином, для підвищення ефективності ВЕУ необхідно шукати шляхи і підходи для збільшення швидкості V повітряного потоку.

Пошук шляхів підвищення ефективності вітроенергетичного обладнання являється актуальним в умовах обмеженості традиційних енергоресурсів та зростаючих проблем забруднення навколишнього середовища. Використання відновлюваних джерел енергії відкриває перспективи в рішенні таких задач і разом з тим ставить цілий комплекс науково - дослідницьких, проектно - конструкторських, виробничих та експлуатаційних питань використання. Тільки успішне і комплексне рішення таких проблем дозволить надіятися на помітний вклад вітроенергетики в загальний енергобаланс країни.

Високоефективними та рентабельними вітроустановками можуть бути лише агрегати, які мають хорошу аеродинаміку в сполученні з достатньою простотою та високою надійністю. Створення таких вітроустановок повинно опиратися на глибокі наукові дослідження , які дозволяють виробляти сучасні агрегати відповідно до їх конструкцій та технології виробництва. При всьому цьому забезпечення високих аеродинамічних якостей ротора, як основного вузла будь-якого вітродвигуна, є однією із найбільш важливих задач.

Слід зауважити, що теорія розрахунку вітроенергетики з вертикальною віссю обертання на сьогоднішній день розвинута недостатньо. Існуючі моделі та підходи дозволяють в основному виконати оціночні розрахунки аеродинамічних характеристик вітроагрегатів з горизонтальною віссю обертання.

Незважаючи на невеликі швидкості вітру в більшості регіонів України , енергетичний потенціал його достатньо великий. Теоретичні ресурси, тобто кінетична енергія вітру на терені України перевищує теперішнє виробництво електроенергії в 1500 разів [18], а ресурси на суші, які можна використати при сучасному розвитку вітроенергетики перевищують ці об’єми в 2 рази. Суттєво більші ресурси можна використати шляхом створення вітроенергетичних станцій приводного базування, в першу чергу на морі, де вітри більш потужні та стабільні. Наприклад, тільки потенціал енергії вітрів на Сиваші в 1.5-2 рази більший, ніж теперішній об’єм виробництва енергії в Україні [18].

Найбільш сприятливими регіонами для створення ВЕС великої потужності є Крим, Карпати, Донбас, узбережжя Чорного та Азовського морів. Але це не означає , що в інших регіонах розвиток вітроенергетики недоцільний.

Крім потужних ВЕС (більше 500 кВт), які працюють на енергосистему, в народному господарстві існує велика необхідність у вітроагрегатах середньої (50-500 кВт) та малої (до 50 кВт). Їх використання доцільно у вигляді автономних джерел електроенергії. Потреби в таких пристроях обчислюються декількома десятками та сотнями тисяч.

Найбільш відпрацьовані у виробництві та використанні є ВЕУ з горизонтальною віссю обертання вітроколеса (ВЕУ пропелерного типу). Вони мають високу швидкохідність, це дозволяє здійснювати більш ефективний зв'язок вала вітроколеса з електрогенератором, мають достатньо високий коефіцієнт використання енергії вітру (до 0.4). Разом з тим пропелерні ВЕУ , особливо великої потужності являють собою складні інженерні конструкції (опорні вежі висотою до 100 м і діаметром вітроколес 26-60 метрів). Вони потребують механізми запуску в роботу та механізми орієнтації на вітер, є джерелами високочастотних акустичних шумів.

Вітроустановки ортогонального типу , у яких вісь обертання вітроколеса перпендикулярна вектору швидкості набігаючого вітрового потоку, розповсюджені значно менше. Швидкохідність та коефіцієнт використання вітру у таких ВУ, як правило, нижче, ніж у пропелерних, але вони більш прості по конструкції , не потребують додаткових механізмів орієнтації на вітер. Тихохідні ВУ такого типу здатні до самозапуску при малих швидкостях вітру, простіші в обслуговування та ремонті.

На сьогоднішній день вивчаються можливості використання вітродвигунів вертикально-вісьового типу для створення потужних ВЕС, оскільки для них технічно простіше в порівнянні з вітродвигунами пропелерного типу рішаються задачі створення ВЕС мегаватного класу, а також обмеження розвиваючої потужності при швидкостях вітру, які перевищують розрахункові значення.

Вертикально-вісьові вітродвигуни (ВД) за принципом дії умовно можна розподілити на 2 групи. До першої групи відносять вітродвигуни, обертання яких з’являється внаслідок різниці опору лопатів при їх переміщенні за вітром та проти вітру. Такими ВД є чашечний ротор, турбіни Савоніуса і Лафонда [18], ротори з екраном або шарнірно скрепленими лопатями та інші.

Вітродвигуни, які використовують різницю опорів лопаті, є тихохідними. Оптимальна швидкість кінця лопаті дорівнює приблизно 1/3 швидкості вітру. Вони мають, як правило, низький (приблизно 0.3) коефіцієнт використання енергії вітру.

Використання таких вітроагрегатів має ряд недоліків. Застосування їх, наприклад, для отримання електроенергії потребує складного механічного та електричного обладнання.

Разом з тим ВЕУ такого типу мають здатність до самозапуску, малі втрати енергії в опорно-ходових вузлах, більш прості при обслуговуванні та ремонті. Деякі підвищення енергетичної ефективності тихохідних ВЕУ досягається рядом спеціальних засобів (пониження парусності, екранування і т.д).

До другої групи вітодвигунів з вертикальною віссю обертання відносять різноманітні ротори типу Дар’є (з прямими, наклінними та зігнутими лопастями), а також вітродвигун, в якому періодично змінюється кут установки лопаті, обертаючий момент на такому роторі створює аеродинамічні («тянучі») сили, які з’являються при обтікання повітряним потоком кривого профілю [18].

Вітродвигуни такого типу мають високу швидкохідність (лопаті рухаються в 2-4 рази швидше вітру). Це є суттєвою перевагою при використання ВЕУ для вироблення електроенергії. Крім того, такі ВЕУ мають низьке значення коефіцієнта затінення (σ<0.3) та достатньо високий коефіцієнт використання енергії вітру (С_р=0.3÷0.4). Суттєвим недоліком є те, що на необертаючому роторі Дар’є момент рушення практично дорівнює нулю, а це потребує спеціальних систем запуску .

Разом з тим конкурувати з кращими на сьогоднішній день вітроагрегатами пропелерного типу(з горизонтальною віссю обертання) можуть лише ротори Дар’є. Останні порівняно прості за конструкцією, не потребують додаткових механізмів орієнтування на вітер та обмеження розвиваючої потужності на швидкостях, які перевищують розрахункові значення. Крім того, при використанні таких ВУ для роботи в енергосистемах простіше вирішується задача створення машин мегаватного класу.

Вітровий потік зустрічає на своєму шляху лопаті і віддає енергію вітроколесу. Внаслідок аеродинамічних втрат вітроколесо використовує тільки частину потужності вітрового потоку. При цьому внаслідок постійної зміни миттєвих швидкостей вітру в значних межах змінюється енергія вітрового потоку, і як наслідок змінюється потужність, яка створюється вітровим колесом.

Структура вітрового потоку за спостерігаємий проміжок часу характеризується рядом величин:

1.Середня швидкість вітру;

2.Поривчастість вітру;

3.Змінюваність вітру;

4.Тривалість провалів - підйомів швидкості вітру вище, або нижче середнього значення.

Середня швидкість вітру визначається як середня арифметична величина, яка отримана із ряду миттєвих швидкостей вітру, виміряних через рівні інтервали за визначений проміжок часу [1,17]:

, (1.4.2)

де V_сер - середня швидкість вітру, V_i – значення миттєвої швидкості вітру, n – кількість миттєвих замірів.

Поривчастість вітру це величина відхилення миттєвого значення швидкості вітру від середньої величини.

Поривчастість вітру характеризує глибину провалів – підйомів швидкості вітру і визначається граничним G_гр середнім G_сер та найбільш ймовірним (середньоквадратичними) G_сер.кв. значеннями:

, (1.4.3)

де V_гр - найбільше або найменше значення миттєвої швидкості вітру на протязі спостестерігаємого проміжку часу.

(1.4.4)

Змінюваність вітру є швидкість зміни вітрового потоку і визначається найбільшим δ_найб та середнім δ_сер значенням: , де ∆t – тривалість інтервалу між миттєвими замірами;

(1.4.5)

Тривалості провалів та підйомів швидкості вітру визначаються величинами проміжків (∆τ), на протязі яких швидкість вітру має значення більших чи менших, ніж середня швидкість вітру за спостерігаємий проміжок часу.

Структура вітру у великій мірі залежить від висоти над земною поверхнею [4]. Наявність перешкод на поверхні землі та тертя нижчих прошарків відносно до земної поверхні понижує швидкість повітряного потоку. Поривчастість повітряного потоку при зменшенні висоти, навпаки, збільшується. О.Л. Лайхтман запропонував наступну формулу зміни середньої швидкості вітру в залежності від висоти підйому над земною поверхнею:

(1.4.6)

де V – швидкість вітру на висоті h, V₁ - відома швидкість вітру близького до землі на висоті h₁; h₀ – висота, на якій швидкість вітру на місці виміру дорівнює нулю. Величина h₀ залежить від нерівності земної поверхні (для сніжного покрива h₀=0,5 см, для поверхні з низькою травою h₀=3,2 см, з більш високою рослинністю h₀=5÷7 см, h₀=20 см) [1].

Остання формула підходить для відкритої рівної місцевості при висоті від 10м до 100м при адіабатичному стані атмосфери. При інверсійних умовах задовільні результати дає розрахунок лише до 10 - 15м літом, та до 50м взимку. Вище згаданою формулою (1.4.6) не можна користуватись для визначення середніх швидкостей вітру, якщо найбільший відрізок часу менше 10 – хвилинного інтервалу. Для проведення вітроенергетичних розрахунків на подовжені інтервалу часу (доба, місяць, рік) необхідно знати вітроенергетичний кадастр.

Вітроенергетичний кадастр являє собою систему числовних характеристик, на основі яких можна судити про виробітку та періодичність роботи вітрового агрегату. До основних характеристик, які входять до вітроенергетичного кадастру відносяться:

1.Середні швидкості вітру за тривалий період часу;

2.Повторюваність середніх швидкостей вітру ;

3.Характеристики добового та річного швидкостей вітру;

4.Тривалість вітрових періодів та періодів затишшя.

Дані про середні швидкості вітру за тривалий період часу (місяць, рік) ґрунтується на спостереженнях існуючої мережі метеостанцій. На осонові записів швидкостей вітру, які проводяться метеостанціями регулярно, декілька разів на протязі доби, складають таблиці середньодобових, середньомісячних та середньорічних швидкостей вітру за багаторічний період.

Повторність швидкостей вітру називається арифметична сума відрізків часу, на протязі яких, в якому-небудь визначеному пунктів в різні часи спостерігалась однакова середня швидкість вітру.

Для більшості регіонів України найбільшу швидкість вітер має в день, найменшу в ночі. На протязі року середньомісячна швидкість вітру для більшості регіонів України, характеризується мінімумом в літні місяці і максимумом в зимку. На весні та в осени швидкість вітру трохи вище середньорічної швидкості вітру. На сьогоднішній день відсутні для вітроенергетики достатньо нові дані про вітрові та штилеві періоди в різних регіонах України.