Ветрогенераторы с вертикальной осью: Глобальный взгляд на инновации в возобновляемой энергетике

По мере того как мир ищет устойчивые энергетические решения, ветроэнергетика становится одним из ведущих игроков. В то время как ветрогенераторы с горизонтальной осью (ВГО) доминируют на рынке, ветрогенераторы с вертикальной осью (ВВО) представляют собой убедительную альтернативу, предлагая уникальные преимущества и области применения, особенно в городских условиях и для распределенной генерации. В этой статье представлен всесторонний обзор технологии ВВО с глобальной точки зрения, исследуются ее потенциал, проблемы и перспективы на будущее.

Что такое ветрогенераторы с вертикальной осью?

Ветрогенераторы с вертикальной осью, как следует из названия, имеют вал ротора, расположенный вертикально. В отличие от ВГО, которые напоминают традиционные ветряные мельницы и должны быть направлены по ветру, ВВО могут принимать ветер с любого направления без необходимости переориентации. Эта всенаправленность является одной из их ключевых отличительных особенностей.

Типы ВВО

Существует несколько конструкций ВВО, каждая из которых имеет свой набор характеристик:

• Турбины Дарье: Они характеризуются изогнутыми лопастями, напоминающими венчик для взбивания яиц или C-образную форму. Турбины Дарье известны своей высокой эффективностью, но для запуска им часто требуется внешний источник питания.
• Турбины Савониуса: Эти турбины используют силу лобового сопротивления для вращения и оснащены ковшами или лопатками, которые ловят ветер. Турбины Савониуса самозапускающиеся и прочные, но, как правило, менее эффективны, чем турбины Дарье. Они используются для приложений с низкой мощностью.
• Турбины Giromill: Являясь разновидностью турбины Дарье, гиромиллы используют прямые вертикальные лопасти. Они предлагают баланс между эффективностью и простотой.
• H-роторные турбины: Тип ВВО, который использует прямые лопасти, прикрепленные к центральной мачте. Подобно гиромиллам, H-роторы относительно просты по конструкции и могут быть эффективными.

Преимущества ветрогенераторов с вертикальной осью

ВВО обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными ВГО, что делает их привлекательными для конкретных применений:

• Всенаправленный прием ветра: ВВО могут улавливать ветер с любого направления, что устраняет необходимость в механизмах рыскания (системах, которые ориентируют турбину по ветру). Это упрощает конструкцию и снижает затраты на техническое обслуживание.
• Низкий уровень шума: ВВО, как правило, производят меньше шума, чем ВГО, что делает их более подходящими для городской среды и районов, чувствительных к шуму.
• Масштабируемость: ВВО можно уменьшать для маломасштабных применений, таких как жилые или коммерческие здания, или увеличивать для более крупных ветряных электростанций.
• Эстетическая привлекательность: Многие конструкции ВВО более привлекательны визуально, чем ВГО, что делает их более приемлемыми в городских условиях. Некоторые конструкции даже интегрируются в архитектуру зданий.
• Более низкие стартовые скорости ветра: Некоторые конструкции ВВО, особенно турбины Савониуса, могут начинать вырабатывать энергию при более низких скоростях ветра по сравнению с ВГО.
• Простота обслуживания: Генератор и редуктор (если он есть) обычно располагаются на уровне земли, что упрощает техническое обслуживание и ремонт по сравнению с ВГО, где эти компоненты находятся высоко в воздухе.
• Потенциально меньшее воздействие на окружающую среду: Некоторые исследования показывают, что ВВО могут оказывать меньшее воздействие на птиц и летучих мышей, хотя в этой области необходимы дополнительные исследования.

Недостатки ветрогенераторов с вертикальной осью

Несмотря на свои преимущества, ВВО также имеют определенные недостатки:

• Более низкая эффективность: В целом, ВВО имеют более низкую аэродинамическую эффективность по сравнению с ВГО. Это означает, что они извлекают меньше энергии из ветра при заданном размере ротора.
• Сложная аэродинамика: Аэродинамика ВВО может быть более сложной, чем у ВГО, что затрудняет оптимизацию конструкции.
• Динамическое напряжение: ВВО испытывают большее циклическое напряжение на лопастях из-за изменяющихся условий ветра, с которыми они сталкиваются при каждом обороте. Это может привести к усталости и сокращению срока службы.
• Ограниченный размер: Масштабирование ВВО до размеров промышленных ВГО представляет собой серьезные инженерные проблемы, особенно в отношении структурной целостности и динамики лопастей.
• Более высокая стоимость за киловатт: Из-за сложности конструкции и более низкой эффективности ВВО иногда могут иметь более высокую стоимость за киловатт установленной мощности по сравнению с ВГО.

Глобальное применение ветрогенераторов с вертикальной осью

ВВО развертываются в различных приложениях по всему миру, демонстрируя свою универсальность и потенциал:

Городская ветроэнергетика

Одним из наиболее перспективных применений ВВО является городская среда. Их способность принимать ветер с любого направления, низкий уровень шума и эстетически привлекательный дизайн делают их идеальными для установки на крышах, вдоль дорог и в общественных местах. Примеры включают:

• Жилые здания: Малые ВВО могут быть интегрированы в жилые здания для обеспечения дополнительной энергией. Несколько компаний предлагают системы ВВО для установки на крышах для домовладельцев.
• Коммерческие здания: Более крупные ВВО могут использоваться для питания коммерческих зданий, снижая их зависимость от электросети.
• Уличное освещение: ВВО можно комбинировать с солнечными панелями для питания уличных фонарей, создавая автономные решения для освещения.
• Телекоммуникационные вышки: ВВО могут обеспечивать питанием телекоммуникационные вышки, особенно в отдаленных местах.

Примеры включают развертывание в таких городах, как Лондон (Великобритания), Нью-Йорк (США) и в различных местах в Китае, где ВВО тестируются и интегрируются в городскую ткань.

Распределенная генерация

ВВО хорошо подходят для приложений распределенной генерации, где электроэнергия вырабатывается вблизи места потребления. Это снижает потери при передаче и повышает энергетическую безопасность. Примеры включают:

• Отдаленные сообщества: ВВО могут обеспечивать энергией отдаленные сообщества, не подключенные к электросети.
• Фермы и сельскохозяйственные предприятия: ВВО могут использоваться для питания ферм, ирригационных систем и других сельскохозяйственных операций.
• Военные базы: ВВО могут обеспечивать резервное питание для военных баз и критически важной инфраструктуры.
• Островные государства: ВВО могут способствовать энергетической независимости островных государств, снижая их зависимость от импортируемого ископаемого топлива.

Страны с обширными удаленными территориями, такие как Австралия, Канада и Россия, активно изучают технологию ВВО для распределенной генерации.

Гибридные системы

ВВО могут быть интегрированы с другими возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечные панели и системы хранения энергии, для создания гибридных систем, обеспечивающих надежное и непрерывное электроснабжение. Примеры включают:

• Ветро-солнечные гибридные системы: Сочетание ВВО с солнечными панелями может обеспечить более стабильную выработку энергии, поскольку ветровые и солнечные ресурсы часто дополняют друг друга.
• Ветро-дизельные гибридные системы: В отдаленных сообществах ВВО могут использоваться для снижения зависимости от дизельных генераторов, сокращая расходы на топливо и выбросы.
• Микросети: ВВО могут быть интегрированы в микросети, обеспечивая электроэнергией локализованную территорию и повышая энергетическую устойчивость.

Многие исследовательские проекты по всему миру сосредоточены на оптимизации гибридных систем, включающих ВВО, например, проекты в Индии, Африке и Южной Америке.

Исследования и разработки

Текущие исследования и разработки направлены на повышение эффективности, надежности и экономической целесообразности ВВО. Ключевые области исследований включают:

• Аэродинамическая оптимизация: Разработка новых конструкций лопастей и аэродинамических профилей для увеличения улавливания энергии.
• Материаловедение: Изучение новых материалов, которые легче, прочнее и долговечнее.
• Системы управления: Разработка передовых систем управления для оптимизации производительности турбины и снижения напряжений.
• Вычислительная гидродинамика (CFD): Использование CFD-моделирования для лучшего понимания сложной аэродинамики ВВО и оптимизации их конструкции.
• Тестирование и валидация: Проведение полевых испытаний для проверки производительности ВВО в реальных условиях.

Исследовательские институты и университеты по всему миру, в том числе в Дании, Германии, Нидерландах и США, активно участвуют в исследованиях ВВО.

Примеры использования: Мировые примеры внедрения ВВО

Несколько успешных внедрений технологии ВВО демонстрируют ее потенциал:

• Здание Garrad Hassan, Бристоль, Великобритания: Ветрогенератор с вертикальной осью был установлен на крыше здания Garrad Hassan (ныне часть DNV GL) для обеспечения здания возобновляемой энергией. Это продемонстрировало возможность интеграции ВВО в городскую среду.
• Башня Pearl River, Гуанчжоу, Китай: Хотя это не были ВВО, питающие всю башню, интегрированные ветряные турбины были элементом дизайна, демонстрирующим потенциал ветровой энергии, интегрированной в здания. Это свидетельствует о глобальном интересе к этой концепции.
• Различные автономные установки в Африке: Несколько проектов развернули ВВО в отдаленных африканских общинах для обеспечения энергией школ, клиник и домохозяйств. Эти проекты подчеркивают потенциал ВВО для распределенной генерации в развивающихся странах.
• Маломасштабные установки ВВО в Японии: Из-за ограниченного пространства и сложного рельефа Япония исследовала ВВО для жилых и малых коммерческих применений, демонстрируя их адаптируемость в сложных условиях.

Проблемы и возможности

Несмотря на свой потенциал, ВВО сталкиваются с рядом проблем:

• Ценовая конкурентоспособность: Снижение стоимости ВВО имеет решающее значение для того, чтобы сделать их конкурентоспособными с ВГО и другими источниками возобновляемой энергии.
• Общественное восприятие: Преодоление негативных представлений об эффективности и надежности ВВО важно для более широкого внедрения.
• Интеграция в сеть: Обеспечение бесшовной интеграции ВВО в электрическую сеть является обязательным условием.
• Стандартизация и сертификация: Для укрепления доверия к технологии необходима разработка стандартизированных процедур тестирования и сертификации ВВО.

Однако существуют и значительные возможности:

• Растущий спрос на возобновляемую энергию: Увеличивающийся мировой спрос на возобновляемую энергию создает благоприятные условия для ВВО.
• Технологические достижения: Постоянные достижения в области материаловедения, аэродинамики и систем управления улучшают производительность и надежность ВВО.
• Политическая поддержка: Государственная политика и стимулы, поддерживающие возобновляемую энергию, способствуют внедрению ВВО.
• Урбанизация: Растущая тенденция урбанизации создает новые возможности для ВВО в городской среде.

Будущее ветрогенераторов с вертикальной осью

Будущее ВВО выглядит многообещающе, поскольку текущие исследования и разработки направлены на улучшение их производительности, снижение стоимости и расширение областей применения. По мере перехода мира к более устойчивой энергетической системе ВВО готовы играть все более важную роль в производстве чистой, возобновляемой энергии, особенно в городской среде и в сценариях распределенной генерации. Они представляют собой ценный элемент глобальной головоломки возобновляемой энергетики, дополняя существующие технологии и способствуя созданию более диверсифицированного и устойчивого энергетического будущего.

Ключевые тенденции для отслеживания

• Интегрированные в здания ветрогенераторы (BIWT): Увеличение интеграции ВВО в проекты зданий для производства энергии на месте.
• Передовые материалы: Использование композитных и других передовых материалов для повышения прочности лопастей и снижения веса.
• Интеграция в умные сети: Разработка технологий умных сетей для оптимизации интеграции ВВО в электрическую сеть.
• Гибридные системы возобновляемой энергии: Рост внедрения гибридных систем, сочетающих ВВО с солнечными панелями и системами хранения энергии.

Заключение

Ветрогенераторы с вертикальной осью предлагают уникальный и ценный подход к использованию энергии ветра. Хотя они могут не заменить полностью ветрогенераторы с горизонтальной осью, их уникальные характеристики делают их привлекательным вариантом для конкретных применений, особенно в городских районах и сценариях распределенной генерации. Благодаря продолжающимся исследованиям, разработкам и поддерживающей политике, ВВО готовы сыграть значительную роль в глобальном переходе к более чистому и устойчивому энергетическому будущему. Поскольку мировые сообщества стремятся сократить свой углеродный след и повысить энергетическую безопасность, технология ВВО является ценным инструментом в борьбе с изменением климата.