![Рис. 1. Схематичный алгоритм разработки ветроприемных устройств Рис. 1. Схематичный алгоритм разработки ветроприемных устройств](http://www.c-o-k.ru/images/articles/40051.jpg)
Рис. 1. Схематичный алгоритм разработки ветроприемных устройств
![Рис. 2. Схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти Рис. 2. Схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти](http://www.c-o-k.ru/images/articles/40052.jpg)
Рис. 2. Схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти
![Рис. 3. Зависимость коэффициента использования энергии ветра Рис. 3. Зависимость коэффициента использования энергии ветра](http://www.c-o-k.ru/images/articles/40053.jpg)
Рис. 3. Зависимость коэффициента использования энергии ветра
По данным BP Statistical review of world energy ’2011, годовой объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России составляет около 0,9 млрд т.у.т. [1]. Исследования, проведенные в рамках международных и Российских программ энергосбережения и ресурсосбережения, показывают, что потенциал возобновляемых источников энергии может покрыть всю потребность энергоснабжения страны. Так, технический потенциал ветровой энергии России — 2,0 млрд т.у.т. в год, а экономический потенциал — около 30 % производства электроэнергии всеми электростанциями России [2]. Но, несмотря на высокий потенциал ветровой энергии в России, доля в общем объеме производства энергии на территории страны ничтожно мала.
В настоящее время, по данным Минпромэнерго, около 20 млн граждан России живут без электрообеспечения. Создание для этих граждан необходимых цивилизованных условий является важнейшей государственной задачей. Одно из наиболее оптимальных решений — использование автономных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии, в частности ветроэнергетики. Применение ветроустановок мощностью до 10 кВт, преобразующих энергию ветра в другие виды энергии, актуально прежде всего для энергоснабжения небольших и рассредоточенных объектов, в районах с малой удельной нагрузкой, удаленных от энергосистем, нефтеи газопроводов [3].
В сельской местности, где ветер является одним из дешевых источников энергии, имеются широкие перспективы для использования ветроэнергетических установок на пастбищах, удаленных фермах и т.д., а также для электрификации инфраструктур систем связи (посты мобильной связи, оповещения, МЧС, метеостанции, видеонаблюдения и т.д.).
Анализ существующих ветроустановок показывает, что эффективно применяются ВЭУ в районах со среднегодовой скоростью ветра от 8 м/с и выше, где суточные и месячные гистограммы скорости ветра ровные. Особенно хорошо зарекомендовали себя быстроходные малолопастные ветроагрегаты в указанных районах.
Однако проведенные исследования показывают, что быстроходные малолопастные ВЭУ, рассчитанные на быстроходность Z = 6–9 в районах со среднегодовой скоростью ветра 4–7 м/с, работают в расчетном режиме от 152-х до 720-ти часов или от 2 до 8 % в год (таблица Поморцева М. М.) [4].
Причина лежит в методологии разработки и конструировании ветроприемных устройств (ВПУ), схематично существующий алгоритм разработки ВПУ показан на рис. 1. Как показано на рисунке, конструктивные параметры ВПУ напрямую зависят от быстроходности ветроприемного устройства Z = ωR/V, где ωR — окружная скорость конца лопасти, а V — скорость ветра.
Коэффициент использования энергии ветра ξ (КИЭВ), зависящий от величины потери скорости ветра при прохождении его через плоскость ветроприемного устройства, максимален при расчетном Z (рис. 2). Каждый элемент лопасти имеет определенную окружную скорость ωR, которая тем больше, чем дальше отстоит элемент от оси ВПУ. Угол, который составляет лопасть с плоскостью вращения ВПУ, — угол заклинивания ϕ, а углы, под которыми ветер набегает на элементы лопасти, есть так называемый «угол атаки» α. Поток ветра обдувает элементы лопасти со скоростью, складывающейся из скоростей V и ωR, — это относительная скорость W. Поэтому для каждого элемента лопасти эта скорость имеет свою величину и набегает под разными α [3].
Из рис. 2 видно, что любое изменение как скорости ветра V, так и окружной скорости элемента лопасти ωR ведет к изменению угла атаки a, что приводит к резкому снижению подъемной силы Py и увеличению лобового сопротивления Pх, и все это приводит к понижению КИЭВ. Отсюда следует неутешительный вывод, что максимальный КИЭВ возможен при одном значении Z, но так как ветровой поток хаотически нестабилен и непостоянен, небольшое изменение угла атаки приводит к резкому уменьшению КИЭВ (рис. 3). Из этого следует, что для наиболее оптимального использования энергии ветра необходимо изменить число модулей Z в диапазоне скоростей ветра от 4 до 14 м/с.
Разработка ветроприемного устройства с двойной быстроходностью в зависимости от ветровой нагрузки уменьшит начальный момент ветродвигателя, увеличит рабочий диапазон скоростей ветра как в суточном, так и в годовом периоде, значительно повысит выработку электроэнергии ветроэнергетическим устройством.
Ветроустановки с разработанными ВПУ могут применяться как для производства электроэнергии, водоснабжения, так и для выработки тепловой энергии. В настоящее время экономически целесообразно получение с помощью ВЭУ не электроэнергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощью ТЭНов 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; потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности, температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широком диапазоне — 19–25 °C, а в бойлерах горячего водоснабжения — 40–97 °C, без ущерба для потребителей [5].
Поскольку большая часть населенной территории России приходится на районы с малым ветровым потенциалом, использование энергии ветра в районах, где среднегодовая скорость ветра составляет 4–7 м/с, является актуальной задачей и приобретает особое значение в развитии и обустройстве сельских территорий Российской Федерации.
- BP Statistical Review of World Energy 2011. Интернетресурс http://bp.com/statisticalreview/
- Энергетический портал. Вопросы производства, сохранения и переработки энергии. Интернет-ресурс http://ru.wikipedia.org/
- Шефтер Я.И. Использование энергии ветра / Под ред. Я.И. Шефтер. — М.: Энергоатомиздат, 1983.
- Андрианов В.Н., Быстрицкий Д.Н., Вашкевич К.П. / Ветроэлектрические станции. — М.: Государственное энергетическое изд-во, 1960.
- Машков А.Л. Основные направления использования электроэнергии, выработанной ветроустановкой / Украинская цифровая библиотека. Интернетресурс http://elib.org.ua/