В Україні середня швидкість руху повітря становить 4,5 м/с, причому достатньо територій із постійним сильним вітром. Попри більшу вартість вітрової енергії (у порівнянні з традиційною, виробленою з викопних ресурсів) використання енергії вітру є економічно виправданим у степових (зокрема, приморських) та гірських районах країни (Одеська, Миколаївська, Харківська, Луганська і Донецька області, а також гірські райони Карпат). За підрахунками аналітиків, вітрова енергетика може забезпечити Україну на 15% від загальних потреб електроенергії.
Типи вітроустановок горизонтальною та вертикальною віссю обертання
До вітроустановок із горизонтальною віссю обертання належать: лопатеві (одно-, дво-, три- та багато лопатеві), агрегати з парусним крилом, багатовітрякові, барабанне колесо, спірально гвинтові та інші.
Основним недоліком горизонтально-осьових вітрогенераторів є необхідність орієнтації ротора на вітер, що потребує впровадження додаткових механізмів або способів орієнтації.
Багатолопасні вітрогенератори мають велику кількість лопатей, що у деяких моделях може досягти 50 одиниць. Ротор цих вітрогенераторів має великий момент інерції, що забезпечує низьку швидкість обертання, але за таких умов розвиває вищий крутний момент. Установки з парусним крилом відомі давно, але м’які полотнища його лопатей почали виготовляти з появою високоміцних зносостійких синтетичних тканин і плівок.
Багатолопатеві вітряки з жорсткими вітрилами широкого розповсюдження по світу як привід малопотужних автоматичних водопідіймальних установок, але їх технічні дані нижчі навіть, ніж у каруселей.
Деякі моделі установок на світовому ринку
До спірально-гвинтових установок відносяться такі як Liam F1 та ротор Оніпко. Голландські інженери взялися за вирішення двох основних проблем вітряків: шумність та низька ефективність. Та вдалося їм вирішити цю проблему завдяки створенню Liam F1 турбіни, яка може генерувати від 1500 кВт-год. енергії у рік за швидкості вітру 5 м/с.
За рахунок оригінального аеродинамічного дизайну турбіна практично безшумна (45 Дб) та ефективна в перетворенні енергії, а компактний розмір 1,5 м у діаметрі дозволяє розташувати її на даху практично різних за конструкцією будівель або окремих щогл.
Конусна аеродинаміка лопатей дає ще одну перевагу — турбіна не створює завихрення, які могли б заважати сусіднім турбінам ефективно перетворювати вітер в електроенергію, тому поруч можна розміщувати відразу декілька вітряків.
До вітроустановок із вертикальною віссю обертання належать: ротор із прямими криловими лопатями (ортогональний), ротор Савоніуса, гелікоїдальний ротор, ротор Дар’є, установка з парусним крилом, багатолопатевий агрегат із направляючим апаратом, ротор пластинчатий, чашечний.
Вітроустановка багатолопатева з вертикальним ротором та направляючим апаратом у промисловому виконанні зустрічається рідко, оскільки дороге відведення землі не компенсує приросту потужності, а матеріаломісткість і складність виробництва великі, але якщо потрібно не більше 0,5–1,5 кВт, то цю вітроустановку можна використовувати:
- ротор такого типу абсолютно безпечний, безшумний, не створює вібрацій і може бути встановлений де завгодно, хоч на дитячому майданчику;
- в обертанні — абсолютно рівномірний, деталі механіки можна взяти найдешевші;
- не боїться ураганів — занадто сильний вітер не може проштовхнутися у «бочку»; навколо неї виникає обтічний вихровий кокон.
Ротор із прямими криловими лопатями (ортогональний) відноситься до швидкохідних вітряків, тобто обов’язково вимагає розкручування при введенні в експлуатацію і після штилю. По ортогональній схемі виготовляються серійні установки потужністю до 20 кВт.
Ротор Дар’є — тип турбіни низького тиску, вісь обертання якої перпендикулярна потоку рідкого або газового середовища. Ротор Дар’є знайшов широке застосування у вітроенергетиці.
Ротор Савоніуса — роторна вітроприймальна конструкція, в якій як лопаті застосовують різні криволінійні поверхні. Він має вигляд двох зміщених щодо один одного напівциліндри з невеликим (10–15% від діаметра лопаті) перекриттям.
Гелікоїдальний ротор, або Ротор Горлова (інша його назва) є модифікацією ортогонального. За рахунок закручування лопатей обертання його є більш рівномірним, що значно знижує динамічні навантаження на опорні вузли і, тим самим, збільшує їх термін служби, в порівнянні з опорними вузлами ортогональних роторів, однак технологія виробництва закручених лопатей значно ускладнюється, що позначається на збільшенні їх вартості.
До новинок вітроустановок відносяться висотна вітряна турбіна Wind Harvester, вертикальні турбіни Дабірі та модель вітростатичного вітрогенератора.
Вітрові турбіни залишаються актуальними за технологією чистої електроенергії, майбутнє вітрової енергетики для віддалених районів може бути знайдено у висотних вітряних турбінах (high altitude wind turbines (HAWTs)), які розміщені високо над землею, де вони можуть використовувати більш сильні та стійкі вітри.
Джон Дабірі, директор Центру вітряної енергетики (Bioinspired Wind Energy) в Каліфорнійському технологічному інституті в Пасадені (California Institute of Technology in Pasadena), виявив, що вертикальне розташування осі вітрових турбін із лопатями, які за формою нагадують плавники риб, можуть працювати разом, щоб більш ефективно використовувати енергію вітру.
Вертикальні турбіни Дабірі становлять близько 9 м у висоту, одна десята висоти багатьох звичайних турбін, що дозволить помістити сотні таких зменшених турбін на площі, де зазвичай розміщується одна традиційна. Сучасна комерційна вітроелектростанція із масштабними територіальними вимогами виробляє близько 2,5 Вт на квадратний метр. Одна звичайна турбіна генерує від 1 до 3 МВт електроенергії. І попри те, що його «каруселі» генерують всього лише 3,5 кВт кожна, і необхідно встановити 280 одиниць, щоб дотягнути до 1МВт, одержуваного від традиційної турбіни, встановлені у великому масиві вітряки Дабірі можуть виробляти удесятеро більше енергії, займаючи таку ж площу.
Голландська фірма Mecanoo розробила робочу модель електростатичного вітрогенератора, котрий не має лопатей і рухомих деталей. Як джерело та накопичувач енергії тут використовуються краплі води, котрі виходять із горизонтально розміщених сопел. Краплі води мають позитивний заряд, і в звичайній ситуації вони притягуються до негативно заряджених електродів або поверхонь. Але в цій системі використовується вітер, котрий відносить краплі у зворотній бік, до позитивно заряджених електродів. Це призводить до збільшення потенційної енергії позитивно зарядженої краплі, і її отримують, коли крапля попадає на позитивно заряджений електрод.
Леся РУДИК, молодший наук. співробітник
УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого
