Ветроэнергетика

Н. А. Шонина, старший преподаватель МАрхИ

В последнее время «зеленое» строительство широко освещается на различных международных строительных выставках и конференциях. Экологические решения стимулируют развитие строительной индустрии, внедряя в практику проектирования и создания зданий инновационные технологии и материалы, привлекают альтернативные источники энергии. Одно из таких решений – использование ветроэнергетики. Эта отрасль специализируется на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. В качестве преобразователей могут использоваться ветрогенераторы (для получения электрической энергии), ветряные мельницы (для преобразования в механическую энергию), паруса (для использования на транспорте) и др.

История

Энергию ветра человечество освоило еще в давние времена. Ветряные мельницы использовались для помола зерна в Персии уже в 200 году до н.э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире, а в XIII веке эта технология была завезена в Европу крестоносцами.

В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. В Нидерландах многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, огражденных дамбами. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей.

В 1890 году в Дании была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908 году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели башню высотой 24 м и четырехлопастные роторы диаметром 23 м. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 м. К 1941 году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт. В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х годах, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра.

Офисное здание PixelBuilding, Мельбурн

Офисное здание PixelBuilding, Мельбурн. На крыше здания установлены ветровые турбины, солнечные батареи и специальные резервуары для сбора дождевой воды. Выбросы углекислого газа будут нейтрализованы благодаря обилию зелени, высаженной на специальных подоконниках. Проект получил высший балл по 100-балльной «зеленой» шкале, а кроме этого заработал 5 дополнительных очков за достижение углеродной нейтральности.

Принцип действия

Воздушные потоки у поверхности Земли или моря являются ламинарными – нижележащие слои тормозят расположенные выше. Этот эффект заметен до высоты 1 км, но резко снижается уже на высотах больше 100 м. Высота расположения генератора выше этого пограничного слоя одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности. Современные генераторы (2010 год) уже вышли на этот рубеж, и их количество в мире резко растет. Ветрогенератор начинает производить ток при ветре 3 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная мощность достигается при ветре 15 м/с. Отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 м/с до 10 м/с, мощность увеличивается в восемь раз.

Наиболее распространенные ветряные электростанции состоят из генератора, хвостовика, мачты, контроллера, инвертора и аккумуляторной батареи. Сила ветра вращает колесо с лопастями, передавая крутящий момент через редуктор на вал генератора. Кроме непосредственно ветрогенератора, установка включает:

• контроллер: преобразует переменный ток, который вырабатывается генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей;
• аккумуляторные батареи: служат для накопления электроэнергии и последующего ее использования энергосистемой в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора;
• анемоскоп и датчик направления ветра: отвечают за сбор данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности;
• автоматический переключатель источника питания (АВР): производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 с при исчезновении основного источника. Позволяет объединить ветроустановку, общественную электросеть, дизель-генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему;
• инвертор: преобразует ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный, который потребляет большинство электроприборов.

Существуют ветрогенераторы вертикальные и горизонтальные (с вертикальной или, соответственно, горизонтальной осью вращения по отношению к земной поверхности). У каждого вида есть свои достоинства. Вертикальные ветрогенераторы менее шумны и долговечны. Устанавливаются на крышах любой формы. Легко монтируются на любой поверхности без мачты и не требуют ориентации на ветер. Горизонтальные ветряки имеют больший КПД при более низкой стоимости генератора.

Ветрогенераторы используются для удовлетворения потребностей объектов промышленного назначения, а также частных домов, коттеджей и пр. Например, при средней нагрузке в квартире 0,5 кВт и пиковой 4–5 кВт, пятикиловатный ветрогенератор может обеспечить нужды в электроэнергии даже при незначительном ветре. Ветрогенераторы в основном применяют при среднегодовой скорости ветра не менее 5 м/с. Однако все большее распространение получают легко разгоняемые ветряки, которые могут эффективно вырабатывать электроэнергию при скорости ветра, не превышающей 3,5 м/с. При наличии хорошего потенциала ветра целесообразнее использовать ветрогенератор как основной источник энергии, а имеющуюся электросеть – как резервный.

Преимущества:

• выработка экологически чистой энергии. Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 т СО₂, 9 т SO₂ и 4 т оксидов азота;
• небольшие эксплуатационные расходы, легкость эксплуатации.

Недостатки:

• непредсказуемость количества выработки энергии вследствие нестабильности силы ветра;
• экономически целесообразно применение только на тех территориях, где среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с.

Сегодня все больше производителей ветрогенераторов предлагают так называемые роторные установки, или ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Принципиальное отличие состоит в том, что вертикальному генератору достаточно 1 м/с, чтобы начать вырабатывать электричество. Развитие этого направления снимает ограничения по использованию энергии ветра в целях электроснабжения.

Однако и они имеют свои недостатки:

• при работе создают шум и низкочастотные вибрации;
• создают помехи телевидению и различным системам;
• причиняют вред птицам, если размещаются на путях миграции и гнездования.

Международный торговый центр, Манама

Международный торговый центр, Манама. За счет архитектурной формы двух корпусов основные ветровые потоки направляются между ними, что обеспечивает работу трех ветровых турбин.

Использование

Использование ветровой энергии особенно привлекательно при строительстве высотных зданий. Мощные ветровые турбины устанавливаются внутри самого здания, как правило, на технических этажах. Они позволяют ветру продувать здание насквозь, не создавая при этом сквозняков и воздушных ям. Благодаря обтекаемой форме здания воздушные массы, попадая в специальные каналы ветровых турбин, будут воздействовать на установленные ветровые генераторы. Таким образом, все необходимая энергия будет вырабатываться с помощью генераторов, что позволит значительно сократить расходы на другие виды электроэнергии. Кроме того, подобные установки позволят контролировать уровень охлаждения здания, тем самым предотвратить его перегрев.

Как показала практика, одновременное использование различных видов альтернативной энергетики, например ветровой и солнечной или геотермальной, наиболее эффективно. Дополняя друг друга, совместно они гарантируют производство достаточного количества электроэнергии на любых территориях и в любых климатических условиях.

В нашей стране наиболее востребованной и экономически целесообразной оказалась схема, в которой энергия, получаемая с помощью ветрогенераторов, преобразуется в тепло для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:

• отопление является основным энергопотребителем любого дома в России;
• схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается;
• схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле;
• в качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения;

система отопления не такая требовательная: температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широких диапазонах 19–25 °C, а в бойлерах горячего водоснабжения – 40–60 °C без ущерба для потребителей.

В нашей стране существуют разработки, направленные на модернизацию современных схем. Например, сотрудниками Челябинского государственного агроинженерного университета С.К. Шерьязовым и Р.А. Ахметжановым изобретено комбинированное устройство для горячего водоснабжения с использованием солнечной и ветровой энергии. Устройство для горячего водоснабжения состоит из солнечного коллектора, трехсекционного бака-аккумулятора, в верхней секции которого расположен дополнительный нагреватель, электрически связанный с ветроэлектроагрегатом, а в средней секции – нагреватель, электрически связанный с ветроэлектроагрегатом, теплообменник, вход которого связан с выходом солнечного коллектора через трехходовой клапан, а выход – с входом дополнительного теплообменника, расположенного в нижней секции бака-аккумулятора и своим выходом связанного с входом солнечного коллектора. Вход дополнительного теплообменника соединен перемычкой с трехходовым клапаном. В устройстве имеется насос для перекачивания воды из верхней секции бака-аккумулятора в его среднюю секцию и насос для перекачивания воды из нижней секции бака-аккумулятора в его среднюю (или верхнюю) секцию через трехходовой клапан. Устройство обеспечивает повышение надежности горячего водоснабжения и эффективности преобразования солнечной и ветровой энергии в тепловую.

Целью изобретения является повышение надежности горячего водоснабжения при совместном применении солнечной и ветровой установок, а также эффективности преобразования солнечной и ветровой энергии в тепловую. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема комбинированного устройства для горячего водоснабжения с использованием солнечной и ветровой энергии 1 – солнечный коллектор; 2 – трехсекционный бак аккумулятор; 3 – дополнительный нагреватель; 4 – ветроэлектроагрегат; 5, 7 – выключатели; 6 – нагреватель; 8, 9, 12 – теплообменники; 10, 18, 19 – трубопровод; 11, 17 – трехходовые клапаны; 13 – обратный клапан; 14 – перемычка; 15, 16 – насосы; 20 – клапан

Устройство для горячего водоснабжения работает следующим образом. В исходном состоянии все секции бака-аккумулятора 2 заполнены водой. При температуре воды в средней секции бака-аккумулятора 2 ниже требуемой замыкается контакт 7, обеспечивающий подачу электроэнергии, вырабатываемой ветроэлектроагрегатом 4, на нагреватель 6. Одновременно с этим, при условии, что температура воды в средней секции бака-аккумулятора 2 ниже температуры теплоносителя на выходе из солнечного коллектора 1, трехходовой клапан 11 открывает трубопровод 10 и закрывает трубопровод 14, и теплоноситель, нагретый под действием солнечной радиации в солнечном коллекторе 1, за счет термосифонной циркуляции поступает в теплообменники 9 и 12 и возвращается в солнечный коллектор 1 через обратный клапан 13.

При достижении водой в средней секции бака-аккумулятора 2 температуры, выше или равной температуре теплоносителя на выходе из солнечного коллектора 1, трехходовой клапан 11 закрывает трубопровод 10 и открывает трубопровод 14, обеспечивая поступление теплоносителя из солнечного коллектора 1 в теплообменник 12 и обратно в солнечный коллектор 1 через обратный клапан 13.

После нагрева воды в средней секции бака-аккумулятора 2 до требуемой температуры размыкается выключатель 7 и замыкается выключатель 5, который в свою очередь обеспечивает подачу электроэнергии, вырабатываемой ветроэлектроагрегатом 4, на дополнительный нагреватель 3. Одновременно с этим трехходовой клапан 11 закрывает трубопровод 10 (если последний был открыт) и теплоноситель из солнечного коллектора 1 через трубопровод 14 поступает в теплообменник 12 и обратно в солнечный коллектор 1 через обратный клапан 13.

В случае снижения температуры воды в средней секции бака-аккумулятора 2 ниже требуемой, цикл нагрева воды в этой секции повторяется.

При нагреве воды в верхней секции бака-аккумулятора 2 до требуемой температуры выключатель 5 размыкается.

Нагрев воды в средней секции бака-аккумулятора 2 при отсутствии энергии солнца и ветра (или ее слабой интенсивности) осуществляется с помощью теплообменника 8, связанного с дублирующим источником энергии.

При снижении уровня воды в средней секции бака-аккумулятора 2 ниже допустимого пополнение этой секции новой порцией воды производится из той секции бака-аккумулятора, в которой находится вода с более высокой температурой, причем при снижении уровня воды в верхней секции бака-аккумулятора 2 (в результате ее перекачивания в среднюю секцию бака-аккумулятора 2 насосом 15) ниже допустимого вода в эту секцию перекачивается из нижней секции бака-аккумулятора 2 насосом 16 путем открытия трубопровода 19 и закрытия трубопровода 18 трехходовым клапаном 17, а при снижении уровня воды в нижней секции бака-аккумулятора 2 (в результате ее перекачивания в верхнюю или среднюю секцию бака-аккумулятора 2 насосом 16) ниже допустимого открывается клапан 20 и эта секция пополняется холодной водой из водопровода.

В случае равенства температур воды в верхней и нижней секциях бака-аккумулятора 2 в среднюю секцию перекачивается вода из нижней секции бака-аккумулятора 2 с помощью насоса 16 через трехходовой клапан 17 и трубопровод 18.

Таким образом, предлагаемое устройство для горячего водоснабжения обеспечивает повышение надежности горячего водоснабжения за счет введения в среднюю секцию бака-аккумулятора теплообменника, связанного с дублирующим источником энергии, а также повышение эффективности преобразования солнечной и ветровой энергии за счет того, что при температуре воды в средней секции бака-аккумулятора ниже температуры теплоносителя на выходе из солнечного коллектора аккумулирование тепловой энергии, получаемой в солнечном коллекторе, происходит в средней и нижней секциях бака-аккумулятора, иначе – только в нижней секции бака-аккумулятора, а при температуре воды в средней секции бака-аккумулятора, равной требуемой, аккумулирование тепловой энергии, получаемой в результате преобразования электроэнергии, вырабатываемой ветроэлектроагрегатом, происходит в верхней секции бака-аккумулятора.

Dynamic Tower, Дубаи

Dynamic Tower, Дубаи (идет строительство). Каждый этаж здания будет движущимся относительно земли и других этажей. 420-метровое здание будет вращать свои этажи на 360° вокруг одной массивной и неподвижной колонны с помощью 79 энергетических ветровых турбин, расположенных на каждом этаже. Этажи будут состоять из заранее изготовленных частей, которые будут вращаться вокруг бетонной оси. Движение этажей будет синхронизировано для создания волнообразных форм. Вращающаяся башня сможет самостоятельно производить энергию с помощью солнечных панелей на крыше и 48 ветровых турбин. Это более 0,3 мегаватт электричества от каждого элемента, ежегодно в сумме дающих 1200 МВт·ч энергии.