Vertikālās ass vēja turbīnas: globāla perspektīva atjaunojamās enerģijas inovācijās

Pasaulei meklējot ilgtspējīgus enerģijas risinājumus, vēja enerģija ir kļuvusi par vienu no galvenajiem dalībniekiem. Lai gan ainavā dominē horizontālās ass vēja turbīnas (HAWT), vertikālās ass vēja turbīnas (VAWT) piedāvā pārliecinošu alternatīvu ar unikālām priekšrocībām un pielietojumu, īpaši pilsētvidē un decentralizētas ražošanas scenārijos. Šis raksts sniedz visaptverošu pārskatu par VAWT tehnoloģiju no globālās perspektīvas, izpētot tās potenciālu, izaicinājumus un nākotnes perspektīvas.

Kas ir vertikālās ass vēja turbīnas?

Vertikālās ass vēja turbīnām, kā liecina nosaukums, rotora vārpsta ir novietota vertikāli. Atšķirībā no HAWT, kas atgādina tradicionālās vējdzirnavas un kuras nepieciešams pavērst pret vēju, VAWT spēj uztvert vēju no jebkura virziena, un tās nav nepieciešams pārorientēt. Šī daudzvirzienu spēja ir viena no to galvenajām atšķirīgajām iezīmēm.

VAWT veidi

VAWT ir pieejamas vairākos dizainos, katram no tiem ir savas īpašības:

• Darjē turbīnas: Tās raksturo izliektas lāpstiņas, kas atgādina olu putotāju vai C-formu. Darjē turbīnas ir pazīstamas ar augstu efektivitāti, bet to iedarbināšanai bieži ir nepieciešama ārēja jauda.
• Savoniusa turbīnas: Šīs turbīnas griešanai izmanto pretestības spēkus, un tām ir kausi vai spaiņi, kas uztver vēju. Savoniusa turbīnas ir pašstartējošas un robustas, bet parasti mazāk efektīvas nekā Darjē turbīnas. Tās izmanto mazākas jaudas pielietojumos.
• Žiromila turbīnas: Darjē turbīnas variants, žiromili izmanto taisnas, vertikālas lāpstiņas. Tās piedāvā līdzsvaru starp efektivitāti un vienkāršību.
• H-rotora turbīnas: VAWT veids, kas izmanto taisnas lāpstiņas, kas piestiprinātas pie centrālā masta. Līdzīgi kā žiromilam, H-rotoriem ir salīdzinoši vienkāršs dizains, un tie var būt efektīvi.

Vertikālās ass vēja turbīnu priekšrocības

VAWT piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām HAWT, padarot tās pievilcīgas konkrētiem pielietojumiem:

• Daudzvirzienu vēja uztveršana: VAWT spēj uztvert vēju no jebkura virziena, novēršot nepieciešamību pēc pagriešanas mehānismiem (sistēmām, kas orientē turbīnu pret vēju). Tas vienkāršo dizainu un samazina apkopi.
• Zemāks trokšņu līmenis: VAWT parasti rada mazāk trokšņa nekā HAWT, padarot tās piemērotākas pilsētvidēm un trokšņu jutīgām zonām.
• Mērogojamība: VAWT var samazināt maza mēroga pielietojumiem, piemēram, dzīvojamām vai komerciālām ēkām, vai palielināt lielākiem vēja parkiem.
• Estētiskā pievilcība: Daudzi VAWT dizaini ir vizuāli pievilcīgāki nekā HAWT, padarot tos pieņemamākus pilsētvidē. Daži dizaini pat tiek integrēti ēku arhitektūrā.
• Zemāks sākuma vēja ātrums: Daži VAWT dizaini, īpaši Savoniusa turbīnas, var sākt ražot enerģiju pie zemāka vēja ātruma salīdzinājumā ar HAWT.
• Vienkāršāka apkope: Ģenerators un pārnesumkārba (ja tāda ir) parasti atrodas zemes līmenī, vienkāršojot apkopi un remontu salīdzinājumā ar HAWT, kur šie komponenti atrodas augstu gaisā.
• Potenciāli zemāka ietekme uz vidi: Daži pētījumi liecina, ka VAWT varētu būt mazāka ietekme uz putniem un sikspārņiem, lai gan šajā jomā ir nepieciešami papildu pētījumi.

Vertikālās ass vēja turbīnu trūkumi

Neskatoties uz priekšrocībām, VAWT ir arī noteikti trūkumi:

• Zemāka efektivitāte: Kopumā VAWT ir zemāka aerodinamiskā efektivitāte salīdzinājumā ar HAWT. Tas nozīmē, ka tās iegūst mazāk enerģijas no vēja pie noteikta rotora izmēra.
• Sarežģīta aerodinamika: VAWT aerodinamika var būt sarežģītāka nekā HAWT, padarot dizaina optimizāciju par izaicinājumu.
• Dinamiskā slodze: VAWT lāpstiņas katras rotācijas laikā saskaras ar lielāku ciklisko slodzi mainīgo vēja apstākļu dēļ. Tas var izraisīt nogurumu un saīsināt kalpošanas laiku.
• Ierobežots izmērs: VAWT palielināšana līdz komunālo pakalpojumu mēroga HAWT izmēram rada ievērojamus inženiertehniskus izaicinājumus, īpaši attiecībā uz konstrukcijas integritāti un lāpstiņu dinamiku.
• Augstākas izmaksas uz kilovatu: Dizaina sarežģītības un zemākas efektivitātes dēļ VAWT dažkārt var būt augstākas izmaksas uz uzstādītās jaudas kilovatu salīdzinājumā ar HAWT.

Vertikālās ass vēja turbīnu globālie pielietojumi

VAWT tiek izmantotas dažādos pielietojumos visā pasaulē, demonstrējot to daudzpusību un potenciālu:

Pilsētas vēja enerģija

Viens no daudzsološākajiem VAWT pielietojumiem ir pilsētvidē. To spēja uztvert vēju no jebkura virziena, zemāks trokšņu līmenis un estētiski pievilcīgs dizains padara tās ideāli piemērotas uzstādīšanai uz jumtiem, gar ceļiem un sabiedriskās vietās. Piemēri ietver:

• Dzīvojamās ēkas: Mazas VAWT var integrēt dzīvojamās ēkās, lai nodrošinātu papildu enerģiju. Vairāki uzņēmumi piedāvā jumta VAWT sistēmas māju īpašniekiem.
• Komerciālās ēkas: Lielākas VAWT var izmantot, lai apgādātu ar enerģiju komerciālās ēkas, samazinot to atkarību no tīkla.
• Ielu apgaismojums: VAWT var kombinēt ar saules paneļiem, lai apgādātu ielu apgaismojumu, radot autonomus apgaismojuma risinājumus.
• Telekomunikāciju torņi: VAWT var nodrošināt enerģiju telekomunikāciju torņiem, īpaši attālās vietās.

Piemēri ietver izvietošanu tādās pilsētās kā Londona (AK), Ņujorka (ASV) un dažādās vietās Ķīnā, kur VAWT tiek testētas un integrētas pilsētas audumā.

Decentralizētā ražošana

VAWT ir labi piemērotas decentralizētās ražošanas pielietojumiem, kur enerģija tiek ražota tuvu patēriņa vietai. Tas samazina pārvades zudumus un uzlabo enerģētisko drošību. Piemēri ietver:

• Attālas kopienas: VAWT var nodrošināt enerģiju attālām kopienām, kas nav pieslēgtas tīklam.
• Saimniecības un lauksaimniecības darbības: VAWT var izmantot, lai apgādātu ar enerģiju saimniecības, apūdeņošanas sistēmas un citas lauksaimniecības darbības.
• Militārās bāzes: VAWT var nodrošināt rezerves enerģiju militārajām bāzēm un kritiskajai infrastruktūrai.
• Salas valstis: VAWT var veicināt salu valstu enerģētisko neatkarību, samazinot to atkarību no importētām fosilajām degvielām.

Valstis ar plašām attālām teritorijām, piemēram, Austrālija, Kanāda un Krievija, aktīvi pēta VAWT tehnoloģiju decentralizētai ražošanai.

Hibrīdsistēmas

VAWT var integrēt ar citiem atjaunojamās enerģijas avotiem, piemēram, saules paneļiem un enerģijas uzglabāšanas sistēmām, lai izveidotu hibrīdsistēmas, kas nodrošina uzticamu un nepārtrauktu enerģijas padevi. Piemēri ietver:

• Vēja-saules hibrīdsistēmas: VAWT kombinēšana ar saules paneļiem var nodrošināt konsekventāku enerģijas ražošanu, jo vēja un saules resursi bieži papildina viens otru.
• Vēja-dīzeļa hibrīdsistēmas: Attālās kopienās VAWT var izmantot, lai samazinātu atkarību no dīzeļģeneratoriem, samazinot degvielas izmaksas un emisijas.
• Mikrotīkli: VAWT var integrēt mikrotīklos, nodrošinot enerģiju lokalizētai teritorijai un uzlabojot enerģētisko noturību.

Daudzi pētniecības projekti visā pasaulē koncentrējas uz hibrīdsistēmu optimizāciju, kas ietver VAWT, piemēram, projekti Indijā, Āfrikā un Dienvidamerikā.

Pētniecība un attīstība

Notiekošie pētniecības un attīstības centieni ir vērsti uz VAWT efektivitātes, uzticamības un izmaksu efektivitātes uzlabošanu. Galvenās pētniecības jomas ietver:

• Aerodinamiskā optimizācija: Jaunu lāpstiņu dizainu un aerodinamisko profilu izstrāde, lai uzlabotu enerģijas uztveršanu.
• Materiālzinātne: Jaunu materiālu izpēte, kas ir vieglāki, stiprāki un izturīgāki.
• Vadības sistēmas: Progresīvu vadības sistēmu izstrāde, lai optimizētu turbīnas veiktspēju un samazinātu slodzi.
• Skaitļošanas šķidrumu dinamika (CFD): CFD simulāciju izmantošana, lai labāk izprastu VAWT sarežģīto aerodinamiku un optimizētu to dizainu.
• Testēšana un validācija: Lauka testu veikšana, lai apstiprinātu VAWT veiktspēju reālos apstākļos.

Pētniecības iestādes un universitātes visā pasaulē, tostarp Dānijā, Vācijā, Nīderlandē un Amerikas Savienotajās Valstīs, aktīvi iesaistās VAWT pētniecībā.

Gadījumu izpēte: VAWT izvietošanas piemēri pasaulē

Vairāki veiksmīgi VAWT tehnoloģijas izvietošanas piemēri demonstrē tās potenciālu:

• "Garrad Hassan" ēka, Bristole, AK: Uz "Garrad Hassan" ēkas (tagad DNV GL daļa) jumta tika uzstādīta vertikālās ass vēja turbīna, lai nodrošinātu ēkai atjaunojamo enerģiju. Tas parādīja VAWT integrēšanas iespējamību pilsētvidē.
• Pērļu upes tornis, Guandžou, Ķīna: Lai gan tās nebija VAWT, kas apgādātu visu torni, integrētās vēja turbīnas bija dizaina elements, kas demonstrēja ēkās integrētās vēja enerģijas potenciālu. Tas parāda globālu interesi par šo koncepciju.
• Dažādas autonomās instalācijas Āfrikā: Vairāki projekti ir izvietojuši VAWT attālās Āfrikas kopienās, lai nodrošinātu enerģiju skolām, klīnikām un mājsaimniecībām. Šie projekti uzsver VAWT potenciālu decentralizētai ražošanai jaunattīstības valstīs.
• Maza mēroga VAWT instalācijas Japānā: Ierobežotas vietas un sarežģīta reljefa dēļ Japāna ir pētījusi VAWT dzīvojamo un mazo komerciālo pielietojumu vajadzībām, demonstrējot to pielāgošanās spēju sarežģītos apstākļos.

Izaicinājumi un iespējas

Neskatoties uz to potenciālu, VAWT saskaras ar vairākiem izaicinājumiem:

• Izmaksu konkurētspēja: VAWT izmaksu samazināšana ir izšķiroša, lai padarītu tās konkurētspējīgas ar HAWT un citiem atjaunojamās enerģijas avotiem.
• Sabiedrības uztvere: Lai panāktu plašāku pielietojumu, ir svarīgi pārvarēt negatīvos priekšstatus par VAWT efektivitāti un uzticamību.
• Integrācija tīklā: Ir būtiski nodrošināt, lai VAWT varētu netraucēti integrēt elektrotīklā.
• Standartizācija un sertifikācija: Lai veidotu uzticību tehnoloģijai, ir nepieciešams izstrādāt standartizētas testēšanas un sertifikācijas procedūras VAWT.

Tomēr ir arī ievērojamas iespējas:

• Pieaugošais pieprasījums pēc atjaunojamās enerģijas: Pieaugošais globālais pieprasījums pēc atjaunojamās enerģijas rada labvēlīgu vidi VAWT.
• Tehnoloģiskie sasniegumi: Notiekošie sasniegumi materiālzinātnē, aerodinamikā un vadības sistēmās uzlabo VAWT veiktspēju un uzticamību.
• Politikas atbalsts: Valdības politikas un stimuli, kas atbalsta atjaunojamo enerģiju, veicina VAWT pieņemšanu.
• Urbanizācija: Pieaugošā urbanizācijas tendence rada jaunas iespējas VAWT pilsētvidē.

Vertikālās ass vēja turbīnu nākotne

VAWT nākotne izskatās daudzsološa, ar notiekošiem pētniecības un attīstības centieniem, kas vērsti uz to veiktspējas uzlabošanu, izmaksu samazināšanu un pielietojumu paplašināšanu. Pasaulei pārejot uz ilgtspējīgāku enerģētikas sistēmu, VAWT ir gatavas spēlēt arvien nozīmīgāku lomu tīras, atjaunojamās enerģijas ražošanā, īpaši pilsētvidē un decentralizētas ražošanas scenārijos. Tās ir vērtīga daļa no globālās atjaunojamās enerģijas mozaīkas, papildinot esošās tehnoloģijas un veicinot daudzveidīgāku un noturīgāku enerģijas nākotni.

Galvenās tendences, kam sekot līdzi

• Ēkās integrētas vēja turbīnas (BIWT): Palielināta VAWT integrācija ēku dizainā vietējai enerģijas ražošanai.
• Progresīvi materiāli: Kompozītmateriālu un citu progresīvu materiālu izmantošana, lai uzlabotu lāpstiņu izturību un samazinātu svaru.
• Viedo tīklu integrācija: Viedo tīklu tehnoloģiju izstrāde, lai optimizētu VAWT integrāciju elektrotīklā.
• Hibrīda atjaunojamās enerģijas sistēmas: Pieaugums hibrīdsistēmu izvietošanā, kas apvieno VAWT ar saules paneļiem un enerģijas uzglabāšanu.

Noslēgums

Vertikālās ass vēja turbīnas piedāvā unikālu un vērtīgu pieeju vēja enerģijas izmantošanai. Lai gan tās, iespējams, pilnībā neaizstās horizontālās ass vēja turbīnas, to unikālās īpašības padara tās par pārliecinošu iespēju konkrētiem pielietojumiem, īpaši pilsētu teritorijās un decentralizētas ražošanas scenārijos. Ar pastāvīgu pētniecību, attīstību un atbalstošām politikām VAWT ir gatavas spēlēt nozīmīgu lomu globālajā pārejā uz tīrāku un ilgtspējīgāku enerģijas nākotni. Kamēr globālās kopienas cenšas samazināt savu oglekļa pēdu un uzlabot enerģētisko drošību, VAWT tehnoloģija ir vērtīgs instruments cīņā pret klimata pārmaiņām.