1.7. Вітроенергетика за кордоном

Питанням вітроенергетики в багатьох закордонних країнах приділяється велика увага. Проявляється зацікавленість до використання вітроелектричних установок різного призначення та потужності,проводяться пошуки окремих рішень проблемі використання вітру. В окремих випадках реалізуються експериментальні конструкції потужних вітроустановок. Найбільший розвиток робіт по вітроенергетиці має місце у Великобританії, Данії Германії, Японії та США при своєрідних напрямках в кожній крайні.

В США має місце широке розповсюдження малих вітрозарядних установок на фермах в неелектрифікованих місцях і розвинуте їх промислове виробництво. Там же був реалізований досвід роботи вітроагрегатів з потужністю 1000 кВт у великій енергосистемі.

У Великобританії, Данії і Франції ведеться планомірне вивчення режимів вітрів в перспективних відносно до використання вітру районах і створюється конструкції вітроагрегатів середньої потужності, які апробіруються в місцевих та великих системах з метою поступового переходу до більш потужних агрегатів.

В Германії приділяється увага як до вітроагрегатів малої потужності, так і до потужних агрегатів, які призначаються для роботи на загальну мережу.

В Італії проводиться вивчення вітрових умов в гірських місцевостях, а також аеродинамічних моделей принципово нових типів потужних вітродвигунів.

Основними причинами підвищення зацікавленості до застосування ВЕУ за кордоном слід вважати:

1. Необхідність розширення енергетичної бази в зв’язку з перспективою дефіциту використовуємих енергоресурсів при швидкому зростанні потреб в електроенергії;

2. Підвищення вартості вугілля та нафти та подорожчання енергії при існуючих способах її виробництва;

3. Фінансово – економічні труднощі в країнах, які не мають достатніх енергоресурсів, в наслідок цього має значення використання будь-якого джерела енергії, яке дозволяє не застосовувати імпорт палива;

4. Можливості, які в останній час відкривають використання значних досягнень аеродинаміки та літакобудування для створення більш якісних та потужних вітродвигунів;

5. Розвиток електричних мереж, які забезпечують широку можливість підключення до них ВЕС в найбільш вигідних місцях з високими середньорічними швидкостями вітру.

Вважається, що проблема створення більш простих конструкцій потужних вітроагрегатів полягає в отриманні можливості збільшення інтенсивності природного повітряного потоку, а також підвищення швидкості обертання вітроколеса. Тому в Італії такі проблеми вирішують шляхом створення типу вітроагрегату з закритим розташуванням вітроколеса та використанням ефекту підсилення швидкості вітру в трубі. Такий ефект можливо отримати за допомогою аеродинамічної системі, яка складається із концентричних труб Вентурі, розташованих безпосередньо в напрямку вітру. Зовнішня труба підсилює швидкість повітряного потоку у внутрішній . Вітроколесо в цій системі розміщується у вузькій частині внутрішньої труби. Там отримується найбільше підсилення повітряного потоку, а діаметр вітроколеса може бути найменшим. Різниця тисків P_а і P_і відповідно до потоку в середній вузькій частині труби, який обумовлений збільшенням швидкості потоку в останній та природного повітряного потоку визначається за формулою:

, (1.7.1)

де V – швидкість вітру; ρ – густина повітря; – аеродинамічний тиск; k₁ – коефіцієнт збільшення тиску, який залежить від форми труби, а в випадку багато разового підсилення за допомогою декількох труб, які розташовані на одній вісі, - також від їх числа.

Коефіцієнт k₁ залежить також від числа Рейнольдса і збільшується при збільшенні останнього.

Модель повітропроводу із двох трубок Вентурі показана на рис.1.7.1 [4]. Збільшення швидкості вітру було отримано в 3,05 разів, тобто для третього ступеня швидкості вітру в 28,5 разів при співвідношенні площі вхідного перетину труби до площі, яка ометає вітроколесо, рівному 21,5. Такі можливості значно полегшують конструкцію вітроколеса для вітроагрегатів великої потужності

Рис.1.7.1 Лабораторна модель повітропровода вітроагрегата при закритому розташуванні вітроколеса

Кільцева швидкість вітроколеса в трубі обмежується тільки пружністю повітря і в наслідок цього може бути доведена до граничної величини, яка дорівнює швидкості звуку.

Вивчаються також моделі спеціальних відсмоктуючих пристроїв (дифузорів), які можуть бути застосовані в вітроагрегатах даного типу таким же методом, яким вони застосовуються в гідротурбінах. Вважається, що такі агрегати можна будувати на дуже великі потужності, які спільномірні с потужностями агрегатів великих теплових станцій.

Відносно типу електрогенератора вважається, що для потужних агрегатів можна застосувати як синхронні, так і асинхронні генератори. Але для агрегатів, які працюють в потужних електросистемах, віддається перевага синхронним генераторам в наслідок їх великої надійності і простоти автоматизації, а також менших коливань віддачі завдяки наявності плину ротора при швидких коливаннях швидкості вітру.

Для обмеження навантаження асинхронних генераторів допускається застосування активних опорів в ланцюгу ротора. Для ізольованих установок перевага віддається синхронним генераторам.

Застосування генераторів постійного струму для вітроагрегатів середньої та великої потужності з перетворенням постійного струму у змінний вважається недоцільним в наслідок низького ККД цієї схеми та ускладнення і здорожання обладнання.

Відомий видатний винахідник Шестеренко Н.О. запропонував пристрій концентратора енергії повітряних потоків, структурна схема якого зображена на рис. 1.7.2. Пристрій складається із двох сопел Лаваля 1 і 2. Причому сопло 1 має менший критичний перетин 3, ніж перетин 4 у сопла 2. Тоді потік вхідного повітря концентрується вздовж вісі, на краях сопел з’являється енергія і в зоні 5 створюється вакуум на участку АВ з’являється значно більший перепад тисків і швидкість V₂ потоку повітря відповідно різко збільшється в порівнянні з швидкістю V₁.

Слід очікувати, що запропонований Шестеренко Н.О. концентратор вітрової енергії здатний суттєво збільшити енергію малопотужних поривчасих вітрів.

Рис.1.7.2 Концентратор енергії повітряних потоків

Цікава ідея другого відомого російського винахідника Ходирева В.І. Він пропонує вітродвигуни вертикального обернення з конструкцією із конфузоров (рис. 1.7.3).

Основним недоліком вітродвигунів (вітроколес) вертикального обернення являється невелика площа використовуємого повітряного потоку, яка дорівнює площі робочої поверхні лопаті вітроколеса. Саме тому дані вітродвигуни являються малопотужніми і нецікавими для потенційних користувачів . Ще одним серйозним недоліком вітродвигуна вертикального обертання являється незахищеність від атмосферних опадів. Дощ, мокрий сніг, обмерзання і, як наслідок, зупинка двигуна, серйозна проблема для користувачів. Третім недоліком вітродвигунів являється виділення загальних площ для їх установки, в ринкових умовах – це важливий фактор.

Вказані недоліки являються серйозним гальмом в використанні вітродвигунів вертикального обертання і в розвитку вітроенергетики в цілому. Використання конструкцій в цілому із конфузорів забезпечує можливість повного усунення вказаних недоліків.

Пропонується використовувати конфузори прямокутної конструкції, які установлюються по всьому колу вітроколеса широкою частиною в бік повітряного потоку, а звуженні частини направлені на робочу поверхню лопаті вітроколеса і щільно примикають до неї. Розташовані таким способом конфузори дозволяють використовувати повітряний потік з будь-якого напрямку, по всьому колу вітроколеса. Такі вітродвигуни мають потужність, яка в десятки разів перевищує потужність анологічних по розміру вітроколіс. Таким способом удається усунути основний недолік вітродвигунів вертикального обертання - невелику площу використовуємого повітряного потоку. Конфузори установлюються нерухомо і являють собою єдину конструкцію. Це дозволяє застосовувати різноманітні матеріали для виготовлення, від легких із алюмінію і пластику до стальних і залізобетонних конструкцій.

Такі вітродвигуни прості в виготовленні та використанні, практично безшумні та довговічні. Все обладнання для перетворення кінетичної енергії вітру в електричну розміщається в середині конструкції під нижніми стінками конфузорів,а це дозволяє надійно їх захистити від непогоди. Саме вітроколесо надійно захищене від атмосферних осадків. Верхні стінки конфозорів, які розташовані в одній площині паралельно землі і одночасно виконують роль даху вітродвигуна. А це усуває другий недолік вітродвигунів вертикального обертання.

Для вітродвигунів такого типу не потрібно виділення земельних ділянок для їх установки. Їх пропонуються розміщувати на дахах будівель та інших споруд будь-якого призначення (вони безшумні). Більше того їх можна використовувати замість самого даху для нових будуємих споруд, а це забезпечить повну, або часткову автономність споруд в енергозабеспеченності. Такі конструкції можна установлювати (вітроенергетичні установки) безпосередньо над полотном автомобільних доріг або залізничних колій. Це дозволяє вирішити проблему освітлюваності доріг, розвинути інфраструктуру доріг (автономні в енергозабезпеченості АЗС, СТО, придорожніх кафе, кемпінги, готелі), це дасть поштовх для розвитку електромобільного транспорту. При цьому саме автомобільні та залізничні дороги окрім своїх основних функцій – транспортних артерій будуть являтись вітровими електростанціями. На одному кілометрі таких доріг можна установити до дев’яти вітроенергетичних установок з потужністю від ста до тисячі кВт-год, на кожну в залежності від ширини проїздної частини.

Якщо такі установки розташувати над полотном залізничних доріг, то це дасть змогу всю виробляєму електроенергію направляти безпосередньо в контактну мережу для забезпечення роботи електровозів. На початковому етапі залізничники зможуть частково задовольняти свої потреби в електроенергії, а в перспективі повністю перейти на автономне живлення, маючи своє джерело отримання електроенергії – вітроенергетичні установки.

Рис. 1.7.3 ВЕУ, яка розташована над автомобільною трасою відповідно до ідеї В.І.Ходирева.

ВЕУ такого типу можна паралельно використовувати не тільки для перетворення вітрової енергії в електричну, але одночасно і для перетворення сонячної енергії в електричну. Верхні стінки конфузорів являють собою нерухомий многокутник, розташований горизонтально і має велику площу. Це ідеальні умови для розташування на цій площі сонячних батарей. Таким чином, можна отримати вітросонячну енергетичну установку великої потужності, яка не потребує виділення спеціальних земельних площ,є високорентабельною та швидкоремонтуємою .

Можна надіятись, що такі установки покладуть початок бурхливого розвитку вітросонячної енергетики, кожному користувачу забезпечити незалежність від енергетичних компаній. Вони підвищать енергетичну безпеку країн в цілому світі. Вони призупинять глобальне потепління і покращать екологію, покращать здоров’я жителів планети Земля. Останній фактор є ще більш важливим в порівнянні з енергетичним кризисом.