Вітрові турбіни з вертикальною віссю: Глобальний погляд на інновації у відновлюваній енергетиці

Оскільки світ шукає стійкі енергетичні рішення, вітроенергетика стала помітним гравцем. Хоча вітрові турбіни з горизонтальною віссю (ВТГВ) домінують у ландшафті, вітрові турбіни з вертикальною віссю (ВТВВ) є переконливою альтернативою, що пропонує унікальні переваги та застосування, особливо в міських умовах та для розподіленої генерації. Ця стаття надає комплексний огляд технології ВТВВ з глобальної перспективи, досліджуючи її потенціал, виклики та майбутні перспективи.

Що таке вітрові турбіни з вертикальною віссю?

Вітрові турбіни з вертикальною віссю, як випливає з назви, мають вал ротора, розташований вертикально. На відміну від ВТГВ, які нагадують традиційні вітряки і потребують орієнтації на вітер, ВТВВ можуть приймати вітер з будь-якого напрямку без необхідності переорієнтації. Ця всеспрямована здатність є однією з їхніх ключових відмінних рис.

Типи ВТВВ

ВТВВ бувають кількох конструкцій, кожна з яких має свій набір характеристик:

• Турбіни Дар'є: Вони характеризуються вигнутими лопатями, що нагадують вінчик для збивання яєць або С-подібну форму. Турбіни Дар'є відомі своєю високою ефективністю, але часто потребують зовнішнього джерела живлення для запуску.
• Турбіни Савоніуса: Ці турбіни використовують сили опору для обертання, маючи ковші або лопаті, що ловлять вітер. Турбіни Савоніуса самозапускаються і є міцними, але загалом менш ефективними, ніж турбіни Дар'є. Вони використовуються для застосувань з меншою потужністю.
• Турбіни-жироміли: Варіація турбіни Дар'є, жироміли використовують прямі вертикальні лопаті. Вони пропонують баланс між ефективністю та простотою.
• H-роторні турбіни: Тип ВТВВ, що використовує прямі лопаті, прикріплені до центральної щогли. Подібно до жиромілів, H-ротори мають відносно просту конструкцію і можуть бути ефективними.

Переваги вітрових турбін з вертикальною віссю

ВТВВ пропонують кілька переваг над традиційними ВТГВ, що робить їх привабливими для конкретних застосувань:

• Всеспрямоване сприйняття вітру: ВТВВ можуть вловлювати вітер з будь-якого напрямку, усуваючи потребу в механізмах повороту (системах, що орієнтують турбіну на вітер). Це спрощує конструкцію та зменшує обслуговування.
• Нижчий рівень шуму: ВТВВ зазвичай виробляють менше шуму, ніж ВТГВ, що робить їх більш придатними для міського середовища та чутливих до шуму районів.
• Масштабованість: ВТВВ можна зменшувати для невеликих застосувань, таких як житлові або комерційні будівлі, або збільшувати для великих вітрових електростанцій.
• Естетична привабливість: Багато конструкцій ВТВВ є більш візуально привабливими, ніж ВТГВ, що робить їх більш прийнятними в міських умовах. Деякі конструкції навіть інтегруються в архітектуру будівель.
• Нижчі початкові швидкості вітру: Деякі конструкції ВТВВ, особливо турбіни Савоніуса, можуть починати виробляти енергію при нижчих швидкостях вітру порівняно з ВТГВ.
• Простіше обслуговування: Генератор і редуктор (за наявності) зазвичай розташовані на рівні землі, що спрощує обслуговування та ремонт порівняно з ВТГВ, де ці компоненти знаходяться високо в повітрі.
• Потенційно менший вплив на навколишнє середовище: Деякі дослідження припускають, що ВТВВ можуть мати менший вплив на птахів і кажанів, хоча в цій галузі потрібні додаткові дослідження.

Недоліки вітрових турбін з вертикальною віссю

Незважаючи на свої переваги, ВТВВ також мають певні недоліки:

• Нижча ефективність: Загалом, ВТВВ мають нижчу аеродинамічну ефективність порівняно з ВТГВ. Це означає, що вони витягують менше енергії з вітру для заданого розміру ротора.
• Складна аеродинаміка: Аеродинаміка ВТВВ може бути складнішою, ніж у ВТГВ, що ускладнює оптимізацію конструкції.
• Динамічне навантаження: ВТВВ зазнають більших циклічних навантажень на свої лопаті через змінні умови вітру, з якими вони стикаються під час кожного обертання. Це може призвести до втоми матеріалу та скорочення терміну служби.
• Обмежений розмір: Масштабування ВТВВ до розміру промислових ВТГВ створює значні інженерні проблеми, особливо щодо структурної цілісності та динаміки лопатей.
• Вища вартість за кіловат: Через складність конструкції та нижчу ефективність, ВТВВ іноді можуть мати вищу вартість за кіловат встановленої потужності порівняно з ВТГВ.

Глобальні застосування вітрових турбін з вертикальною віссю

ВТВВ розгортаються в різних сферах застосування по всьому світу, демонструючи свою універсальність і потенціал:

Міська вітроенергетика

Одним з найперспективніших застосувань ВТВВ є міське середовище. Їхня здатність приймати вітер з будь-якого напрямку, нижчий рівень шуму та естетично привабливий дизайн роблять їх ідеальними для встановлення на дахах, уздовж доріг та в громадських місцях. Приклади включають:

• Житлові будинки: Малі ВТВВ можна інтегрувати в житлові будинки для забезпечення додаткового живлення. Кілька компаній пропонують системи ВТВВ для дахів для домовласників.
• Комерційні будівлі: Більші ВТВВ можна використовувати для живлення комерційних будівель, зменшуючи їхню залежність від мережі.
• Вуличне освітлення: ВТВВ можна поєднувати з сонячними панелями для живлення вуличних ліхтарів, створюючи автономні освітлювальні рішення.
• Телекомунікаційні вежі: ВТВВ можуть забезпечувати живлення для телекомунікаційних веж, особливо у віддалених місцях.

Приклади включають розгортання в таких містах, як Лондон (Великобританія), Нью-Йорк (США) та різних місцях у Китаї, де ВТВВ тестуються та інтегруються в міську тканину.

Розподілена генерація

ВТВВ добре підходять для розподіленої генерації, де енергія виробляється близько до точки споживання. Це зменшує втрати при передачі та підвищує енергетичну безпеку. Приклади включають:

• Віддалені громади: ВТВВ можуть забезпечувати електроенергією віддалені громади, які не підключені до мережі.
• Ферми та сільськогосподарські підприємства: ВТВВ можна використовувати для живлення ферм, іригаційних систем та інших сільськогосподарських операцій.
• Військові бази: ВТВВ можуть забезпечувати резервне живлення для військових баз та критичної інфраструктури.
• Острівні держави: ВТВВ можуть сприяти енергетичній незалежності острівних держав, зменшуючи їхню залежність від імпортованого викопного палива.

Країни з великими віддаленими територіями, такі як Австралія, Канада та Росія, активно досліджують технологію ВТВВ для розподіленої генерації.

Гібридні системи

ВТВВ можна інтегрувати з іншими джерелами відновлюваної енергії, такими як сонячні панелі та системи зберігання енергії, для створення гібридних систем, що забезпечують надійне та безперервне енергопостачання. Приклади включають:

• Вітро-сонячні гібридні системи: Поєднання ВТВВ з сонячними панелями може забезпечити більш стабільну вихідну потужність, оскільки вітрові та сонячні ресурси часто доповнюють один одного.
• Вітро-дизельні гібридні системи: У віддалених громадах ВТВВ можна використовувати для зменшення залежності від дизельних генераторів, знижуючи витрати на паливо та викиди.
• Мікромережі: ВТВВ можна інтегрувати в мікромережі, забезпечуючи енергією локалізовану територію та підвищуючи енергетичну стійкість.

Багато дослідницьких проєктів по всьому світу зосереджені на оптимізації гібридних систем, що включають ВТВВ, наприклад, проєкти в Індії, Африці та Південній Америці.

Дослідження та розробки

Поточні дослідження та розробки спрямовані на підвищення ефективності, надійності та економічної доцільності ВТВВ. Ключові напрямки досліджень включають:

• Аеродинамічна оптимізація: Розробка нових конструкцій лопатей та аеродинамічних профілів для покращення захоплення енергії.
• Матеріалознавство: Дослідження нових матеріалів, які є легшими, міцнішими та довговічнішими.
• Системи управління: Розробка передових систем управління для оптимізації продуктивності турбіни та зменшення навантаження.
• Обчислювальна гідродинаміка (CFD): Використання симуляцій CFD для кращого розуміння складної аеродинаміки ВТВВ та оптимізації їхньої конструкції.
• Тестування та валідація: Проведення польових випробувань для підтвердження продуктивності ВТВВ в реальних умовах.

Дослідницькі інститути та університети по всьому світу, включаючи ті, що знаходяться в Данії, Німеччині, Нідерландах та США, активно займаються дослідженнями ВТВВ.

Тематичні дослідження: Глобальні приклади розгортання ВТВВ

Кілька успішних розгортань технології ВТВВ демонструють її потенціал:

• Будівля Garrad Hassan, Бристоль, Великобританія: На даху будівлі Garrad Hassan (нині частина DNV GL) була встановлена вітрова турбіна з вертикальною віссю для забезпечення будівлі відновлюваною енергією. Це продемонструвало доцільність інтеграції ВТВВ у міське середовище.
• Вежа Перл-Рівер, Гуанчжоу, Китай: Хоча це не були ВТВВ, що живлять усю вежу, інтегровані вітрові турбіни були елементом дизайну, що демонструє потенціал для інтегрованої в будівлі вітрової енергетики. Це свідчить про глобальний інтерес до цієї концепції.
• Різні автономні установки в Африці: Кілька проєктів розгорнули ВТВВ у віддалених африканських громадах для забезпечення енергією шкіл, клінік та домогосподарств. Ці проєкти підкреслюють потенціал ВТВВ для розподіленої генерації в країнах, що розвиваються.
• Маломасштабні установки ВТВВ в Японії: Через обмежений простір та складний рельєф Японія досліджувала ВТВВ для житлових та невеликих комерційних застосувань, демонструючи їхню адаптивність у складних умовах.

Виклики та можливості

Незважаючи на свій потенціал, ВТВВ стикаються з кількома викликами:

• Конкурентоспроможність за вартістю: Зниження вартості ВТВВ є вирішальним для того, щоб зробити їх конкурентоспроможними з ВТГВ та іншими джерелами відновлюваної енергії.
• Сприйняття громадськістю: Подолання негативного сприйняття щодо ефективності та надійності ВТВВ є важливим для ширшого впровадження.
• Інтеграція в мережу: Забезпечення безперешкодної інтеграції ВТВВ в електричну мережу є важливим.
• Стандартизація та сертифікація: Розробка стандартизованих процедур тестування та сертифікації для ВТВВ необхідна для зміцнення довіри до технології.

Однак існують також значні можливості:

• Зростаючий попит на відновлювану енергію: Зростаючий глобальний попит на відновлювану енергію створює сприятливе середовище для ВТВВ.
• Технологічні досягнення: Постійні досягнення в галузі матеріалознавства, аеродинаміки та систем управління покращують продуктивність та надійність ВТВВ.
• Політична підтримка: Урядові політики та стимули, що підтримують відновлювану енергію, сприяють впровадженню ВТВВ.
• Урбанізація: Зростаюча тенденція урбанізації створює нові можливості для ВТВВ у міському середовищі.

Майбутнє вітрових турбін з вертикальною віссю

Майбутнє ВТВВ виглядає багатообіцяючим, завдяки поточним дослідженням та розробкам, спрямованим на покращення їхньої продуктивності, зниження вартості та розширення сфер застосування. У міру того, як світ переходить до більш стійкої енергетичної системи, ВТВВ готові відігравати все більш важливу роль у виробництві чистої, відновлюваної енергії, особливо в міському середовищі та для розподіленої генерації. Вони є цінним елементом глобальної мозаїки відновлюваної енергетики, доповнюючи існуючі технології та сприяючи більш диверсифікованому та стійкому енергетичному майбутньому.

Ключові тенденції, на які варто звернути увагу

• Інтегровані в будівлі вітрові турбіни (BIWT): Посилена інтеграція ВТВВ у проекти будівель для генерації енергії на місці.
• Передові матеріали: Використання композитних та інших передових матеріалів для покращення міцності лопатей та зменшення ваги.
• Інтеграція в розумні мережі: Розробка технологій розумних мереж для оптимізації інтеграції ВТВВ в електричну мережу.
• Гібридні системи відновлюваної енергії: Зростання впровадження гібридних систем, що поєднують ВТВВ із сонячними панелями та системами зберігання енергії.

Висновок

Вітрові турбіни з вертикальною віссю пропонують унікальний та цінний підхід до використання енергії вітру. Хоча вони можуть не замінити повністю вітрові турбіни з горизонтальною віссю, їхні унікальні характеристики роблять їх переконливим варіантом для конкретних застосувань, особливо в міських районах та для розподіленої генерації. Завдяки постійним дослідженням, розробкам та сприятливій політиці, ВТВВ готові відігравати значну роль у глобальному переході до чистішого та більш сталого енергетичного майбутнього. Оскільки світові спільноти прагнуть зменшити свій вуглецевий слід та підвищити енергетичну безпеку, технологія ВТВВ є цінним інструментом у боротьбі зі зміною клімату.