Vertikalios ašies vėjo turbinos: pasaulinė atsinaujinančios energetikos inovacijų perspektyva

Pasauliui ieškant tvarių energetikos sprendimų, vėjo energetika tapo svarbia veikėja. Nors kraštovaizdyje dominuoja horizontalios ašies vėjo turbinos (HAWT), vertikalios ašies vėjo turbinos (VAWT) yra patraukli alternatyva, siūlanti unikalių privalumų ir pritaikymo galimybių, ypač miesto ir paskirstytos gamybos scenarijuose. Šiame straipsnyje pateikiama išsami VAWT technologijos apžvalga iš pasaulinės perspektyvos, nagrinėjant jos potencialą, iššūkius ir ateities perspektyvas.

Kas yra vertikalios ašies vėjo turbinos?

Vertikalios ašies vėjo turbinos, kaip rodo pavadinimas, turi vertikaliai išdėstytą rotoriaus veleną. Skirtingai nuo HAWT, kurios primena tradicinius vėjo malūnus ir turi būti nukreiptos į vėją, VAWT gali priimti vėją iš bet kurios krypties ir jų nereikia perorientuoti. Šis visakryptis pajėgumas yra vienas iš pagrindinių jų skiriamųjų bruožų.

VAWT tipai

VAWT yra kelių konstrukcijų, kurių kiekviena pasižymi savitomis savybėmis:

• Darrieus turbinos: Jos pasižymi lenktomis mentėmis, primenančiomis kiaušinių plakiklį arba C formą. Darrieus turbinos žinomos dėl didelio efektyvumo, tačiau joms paleisti dažnai reikia išorinės galios.
• Savonius turbinos: Šios turbinos sukasi naudodamos pasipriešinimo jėgas, turėdamos kaušelius arba kibirėlius, kurie pagauna vėją. Savonius turbinos yra savaime pasileidžiančios ir tvirtos, tačiau paprastai mažiau efektyvios nei Darrieus turbinos. Jos naudojamos mažesnės galios pritaikymams.
• Giromill turbinos: Tai Darrieus turbinos variantas, kuriame naudojamos tiesios, vertikalios mentės. Jos siūlo pusiausvyrą tarp efektyvumo ir paprastumo.
• H-rotoriaus turbinos: Tai VAWT tipas, kuriame naudojamos tiesios mentės, pritvirtintos prie centrinio stiebo. Panašiai kaip Giromill, H-rotoriai yra gana paprastos konstrukcijos ir gali būti efektyvūs.

Vertikalios ašies vėjo turbinų privalumai

VAWT siūlo keletą privalumų, palyginti su tradicinėmis HAWT, todėl jos yra patrauklios specifiniams pritaikymams:

• Visakryptis vėjo priėmimas: VAWT gali sugauti vėją iš bet kurios krypties, todėl nereikia nukreipimo mechanizmų (sistemų, kurios orientuoja turbiną į vėją). Tai supaprastina konstrukciją ir sumažina priežiūros poreikį.
• Mažesnis triukšmo lygis: VAWT paprastai kelia mažiau triukšmo nei HAWT, todėl labiau tinka miesto aplinkai ir triukšmui jautrioms vietovėms.
• Mastelio keitimas: VAWT galima sumažinti mažo masto pritaikymams, pavyzdžiui, gyvenamiesiems ar komerciniams pastatams, arba padidinti didesniems vėjo parkams.
• Estetinis patrauklumas: Daugelis VAWT konstrukcijų yra vizualiai patrauklesnės nei HAWT, todėl jos labiau priimtinos miesto aplinkoje. Kai kurios konstrukcijos netgi integruojamos į pastatų architektūrą.
• Mažesnis paleidimo vėjo greitis: Kai kurios VAWT konstrukcijos, ypač Savonius turbinos, gali pradėti gaminti energiją esant mažesniam vėjo greičiui, palyginti su HAWT.
• Paprastesnė priežiūra: Generatorius ir pavarų dėžė (jei yra) paprastai yra žemės lygyje, o tai supaprastina priežiūrą ir remontą, palyginti su HAWT, kur šie komponentai yra aukštai ore.
• Galimai mažesnis poveikis aplinkai: Kai kurie tyrimai rodo, kad VAWT gali turėti mažesnį poveikį paukščiams ir šikšnosparniams, nors šioje srityje reikia daugiau tyrimų.

Vertikalios ašies vėjo turbinų trūkumai

Nepaisant privalumų, VAWT taip pat turi tam tikrų trūkumų:

• Mažesnis efektyvumas: Apskritai, VAWT aerodinaminis efektyvumas yra mažesnis nei HAWT. Tai reiškia, kad jos išgauna mažiau energijos iš vėjo esant tam pačiam rotoriaus dydžiui.
• Sudėtinga aerodinamika: VAWT aerodinamika gali būti sudėtingesnė nei HAWT, todėl konstrukcijos optimizavimas yra iššūkis.
• Dinaminis įtempis: VAWT mentės patiria didesnį ciklinį įtempį dėl kintančių vėjo sąlygų, su kuriomis jos susiduria kiekvieno apsisukimo metu. Tai gali sukelti nuovargį ir sutrumpinti tarnavimo laiką.
• Ribotas dydis: Padidinti VAWT iki pramoninio masto HAWT dydžio kelia didelių inžinerinių iššūkių, ypač susijusių su konstrukcijos vientisumu ir menčių dinamika.
• Didesnė kaina už kilovatą: Dėl sudėtingos konstrukcijos ir mažesnio efektyvumo, VAWT kartais gali turėti didesnę kainą už įdiegtos galios kilovatą, palyginti su HAWT.

Pasaulinis vertikalios ašies vėjo turbinų pritaikymas

VAWT diegiamos įvairiose srityse visame pasaulyje, demonstruodamos jų universalumą ir potencialą:

Miesto vėjo energetika

Vienas iš perspektyviausių VAWT pritaikymų yra miesto aplinkoje. Jų gebėjimas priimti vėją iš bet kurios krypties, mažesnis triukšmo lygis ir estetiškai patrauklios konstrukcijos daro jas idealias montuoti ant stogų, palei kelius ir viešosiose erdvėse. Pavyzdžiai:

• Gyvenamieji pastatai: Mažos VAWT gali būti integruotos į gyvenamuosius pastatus, kad tiektų papildomą energiją. Kelios įmonės siūlo stogo VAWT sistemas namų savininkams.
• Komerciniai pastatai: Didesnės VAWT gali būti naudojamos komerciniams pastatams maitinti, sumažinant jų priklausomybę nuo tinklo.
• Gatvių apšvietimas: VAWT gali būti derinamos su saulės baterijomis gatvių žibintams maitinti, sukuriant autonominius apšvietimo sprendimus.
• Telekomunikacijų bokštai: VAWT gali tiekti energiją telekomunikacijų bokštams, ypač atokiose vietovėse.

Pavyzdžiai apima diegimą tokiuose miestuose kaip Londonas (JK), Niujorkas (JAV) ir įvairiose vietose Kinijoje, kur VAWT yra bandomos ir integruojamos į miesto audinį.

Paskirstyta gamyba

VAWT puikiai tinka paskirstytos gamybos pritaikymams, kai energija gaminama arti vartojimo vietos. Tai sumažina perdavimo nuostolius ir padidina energetinį saugumą. Pavyzdžiai:

• Atokios bendruomenės: VAWT gali tiekti energiją atokioms bendruomenėms, kurios nėra prijungtos prie tinklo.
• Ūkiai ir žemės ūkio veikla: VAWT gali būti naudojamos ūkiams, drėkinimo sistemoms ir kitai žemės ūkio veiklai maitinti.
• Karinės bazės: VAWT gali tiekti atsarginę energiją karinėms bazėms ir kritinei infrastruktūrai.
• Salų valstybės: VAWT gali prisidėti prie salų valstybių energetinės nepriklausomybės, mažinant jų priklausomybę nuo importuojamo iškastinio kuro.

Šalys, turinčios dideles atokias teritorijas, tokios kaip Australija, Kanada ir Rusija, aktyviai tiria VAWT technologiją paskirstytai gamybai.

Hibridinės sistemos

VAWT gali būti integruotos su kitais atsinaujinančios energijos šaltiniais, tokiais kaip saulės baterijos ir energijos kaupimo sistemos, sukuriant hibridines sistemas, kurios užtikrina patikimą ir nuolatinį energijos tiekimą. Pavyzdžiai:

• Vėjo ir saulės hibridinės sistemos: Derinant VAWT su saulės baterijomis galima užtikrinti pastovesnę energijos gamybą, nes vėjo ir saulės ištekliai dažnai papildo vienas kitą.
• Vėjo ir dyzelino hibridinės sistemos: Atokiose bendruomenėse VAWT gali būti naudojamos siekiant sumažinti priklausomybę nuo dyzelinių generatorių, mažinant degalų sąnaudas ir išmetamųjų teršalų kiekį.
• Mikrotinklai: VAWT gali būti integruotos į mikrotinklus, tiekiant energiją lokalizuotai vietovei ir didinant energetinį atsparumą.

Daugelis mokslinių tyrimų projektų visame pasaulyje yra skirti hibridinių sistemų, apimančių VAWT, optimizavimui, pavyzdžiui, projektai Indijoje, Afrikoje ir Pietų Amerikoje.

Moksliniai tyrimai ir plėtra

Vykdomi mokslinių tyrimų ir plėtros darbai yra skirti VAWT efektyvumo, patikimumo ir ekonomiškumo didinimui. Pagrindinės tyrimų sritys:

• Aerodinaminis optimizavimas: Naujų menčių konstrukcijų ir aerodinaminių profilių kūrimas siekiant padidinti energijos surinkimą.
• Medžiagų mokslas: Naujų, lengvesnių, tvirtesnių ir patvaresnių medžiagų tyrimas.
• Valdymo sistemos: Pažangių valdymo sistemų kūrimas siekiant optimizuoti turbinos našumą ir sumažinti įtempį.
• Skaičiuojamoji skysčių dinamika (CFD): CFD simuliacijų naudojimas siekiant geriau suprasti sudėtingą VAWT aerodinamiką ir optimizuoti jų konstrukciją.
• Testavimas ir patvirtinimas: Lauko bandymų atlikimas siekiant patvirtinti VAWT našumą realiomis sąlygomis.

Mokslinių tyrimų institucijos ir universitetai visame pasaulyje, įskaitant Daniją, Vokietiją, Nyderlandus ir Jungtines Amerikos Valstijas, aktyviai dalyvauja VAWT tyrimuose.

Atvejų analizė: pasauliniai VAWT diegimo pavyzdžiai

Keletas sėkmingų VAWT technologijos diegimo pavyzdžių rodo jos potencialą:

• Garrad Hassan pastatas, Bristolis, JK: Ant Garrad Hassan pastato (dabar DNV GL dalis) stogo buvo sumontuota vertikalios ašies vėjo turbina, skirta pastatui tiekti atsinaujinančią energiją. Tai parodė VAWT integravimo į miesto aplinką galimybes.
• Perlų upės bokštas, Guangdžou, Kinija: Nors tai nebuvo griežtai VAWT, maitinančios visą bokštą, integruotos vėjo turbinos buvo dizaino elementas, demonstruojantis pastatuose integruotos vėjo energijos potencialą. Tai rodo pasaulinį susidomėjimą šia koncepcija.
• Įvairios autonominės instaliacijos Afrikoje: Keliuose projektuose VAWT buvo įdiegtos atokiose Afrikos bendruomenėse, siekiant tiekti energiją mokykloms, klinikoms ir namų ūkiams. Šie projektai pabrėžia VAWT potencialą paskirstytai gamybai besivystančiose šalyse.
• Mažo masto VAWT instaliacijos Japonijoje: Dėl ribotos erdvės ir sudėtingo reljefo Japonija tyrinėjo VAWT pritaikymą gyvenamiesiems ir mažiems komerciniams pastatams, demonstruodama jų prisitaikymą sudėtingomis sąlygomis.

Iššūkiai ir galimybės

Nepaisant potencialo, VAWT susiduria su keliais iššūkiais:

• Konkurencingumas kainos atžvilgiu: VAWT kainos sumažinimas yra labai svarbus, kad jos taptų konkurencingos su HAWT ir kitais atsinaujinančios energijos šaltiniais.
• Visuomenės suvokimas: Siekiant platesnio pritaikymo, svarbu įveikti neigiamą požiūrį į VAWT efektyvumą ir patikimumą.
• Integracija į tinklą: Būtina užtikrinti, kad VAWT būtų galima sklandžiai integruoti į elektros tinklą.
• Standartizavimas ir sertifikavimas: Reikia sukurti standartizuotas VAWT testavimo ir sertifikavimo procedūras, kad būtų sustiprintas pasitikėjimas šia technologija.

Tačiau taip pat yra didelių galimybių:

• Auganti atsinaujinančios energijos paklausa: Didėjanti pasaulinė atsinaujinančios energijos paklausa sukuria palankią aplinką VAWT.
• Technologiniai pasiekimai: Nuolatiniai pasiekimai medžiagų mokslo, aerodinamikos ir valdymo sistemų srityse gerina VAWT našumą ir patikimumą.
• Politinė parama: Vyriausybės politika ir paskatos, remiančios atsinaujinančią energiją, skatina VAWT diegimą.
• Urbanizacija: Auganti urbanizacijos tendencija sukuria naujų galimybių VAWT miesto aplinkoje.

Vertikalios ašies vėjo turbinų ateitis

VAWT ateitis atrodo daug žadanti, nes nuolatiniai mokslinių tyrimų ir plėtros darbai yra skirti jų našumo gerinimui, kainos mažinimui ir pritaikymo sričių plėtimui. Pasauliui pereinant prie tvaresnės energetikos sistemos, VAWT vaidins vis svarbesnį vaidmenį gaminant švarią, atsinaujinančią energiją, ypač miesto aplinkoje ir paskirstytos gamybos scenarijuose. Jos yra vertinga pasaulinės atsinaujinančios energetikos dėlionės dalis, papildanti esamas technologijas ir prisidedanti prie įvairesnės bei atsparesnės energetikos ateities.

Pagrindinės stebėtinos tendencijos

• Į pastatus integruotos vėjo turbinos (BIWT): Didesnė VAWT integracija į pastatų projektus vietinei energijos gamybai.
• Pažangios medžiagos: Kompozitinių ir kitų pažangių medžiagų naudojimas siekiant pagerinti menčių tvirtumą ir sumažinti svorį.
• Išmaniųjų tinklų integracija: Išmaniųjų tinklų technologijų kūrimas siekiant optimizuoti VAWT integraciją į elektros tinklą.
• Hibridinės atsinaujinančios energijos sistemos: Hibridinių sistemų, kuriose VAWT derinamos su saulės baterijomis ir energijos kaupimo įrenginiais, diegimo augimas.

Išvada

Vertikalios ašies vėjo turbinos siūlo unikalų ir vertingą požiūrį į vėjo energijos panaudojimą. Nors jos gali visiškai nepakeisti horizontalios ašies vėjo turbinų, jų unikalios savybės daro jas patraukliu pasirinkimu specifiniams pritaikymams, ypač miesto vietovėse ir paskirstytos gamybos scenarijuose. Vykstant moksliniams tyrimams, plėtrai ir taikant palankią politiką, VAWT yra pasirengusios atlikti svarbų vaidmenį pasauliniame perėjime prie švaresnės ir tvaresnės energetikos ateities. Pasaulio bendruomenėms siekiant sumažinti anglies pėdsaką ir padidinti energetinį saugumą, VAWT technologija yra vertingas įrankis kovoje su klimato kaita.