Рис. 1. Схематичный алгоритм разработки ветроприемных устройств
Рис. 2. Схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти
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/
