АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВОК РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Из анализа конструкций ветроэнергоустановок (ВЭУ) следует, что наряду с горизонтально-осевыми (ГО) ВЭУ в настоящее время стали достаточно широко применяться и вертикально-осевые (ВО) ВЭУ. Значительные преимущества ВО ВЭУ комбинированного типа на основе ветродвигателей Дарье и Савониуса делают их наиболее перспективными для дальнейшего совершенствования и широкого применения. Мощность ГО ВЭУ зависит от угла наклона вектора ветрового потока к оси вращения ветродвигателя. Наличие систем управления делает ГО ВЭУ «медлительной» из-за долгой реакции. В результате коэффициент использования энергии ветра у ГО ВЭУ большой мощности может снизиться до 0,15-0,25 и стать ниже, чем у ВО ВЭУ, который составляет 0,20-0,40. Из расчетов следует, что при увеличении удельных капитальных вложений в ВЭУ от 25 до 150 тыс. руб./кВт (от 0,417 до 2,500 тыс. долл./кВт) и уменьшении стоимости замещаемой электроэнергии от 2,0 до 5,0 руб./кВт · ч срок окупаемости ВЭУ увеличивается от 2 до 50 лет. Удельные капитальные вложения в ВЭУ при сроке окупаемости 7 лет не должны превышать 53 тыс. руб./кВт (884 долл./кВт). Вполне обоснованным может быть применение ГО и ВО ВЭУ большой мощности для создания ветроэлектростанций, соединенных с централизованной энергосистемой. Горизонтально-осевые и вертикально-осевые ВЭУ мощностью до 30 кВт могут быть применены для автономного энергоснабжения объектов, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.

Ключевые слова:
горизонтально-осевые ветроэнергоустановки, вертикально-осевые ветроэнергоустановки, роторы Дарье, роторы Савониуса, комбинированные ветроэнергоустановки, автономное энергоснабжение
Текст
Введение В настоящее время во многих странах мира все более широкое применение находят децентрализованные системы энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии и, в частности, ветровой энергии [1-4]. Существует множество конструкций ветроэнергоустановок (ВЭУ), энергетическая эффективность которых изменяется в пределах от 0,15 до 0,45. Ветроэнергоустановки могут использоваться как в составе энергокомплексов с возобновляемыми источниками энергии, так и самостоятельно, для выработки электроэнергии [2, 3]. Следует, однако, отметить, что в России ВЭУ используются недостаточно широко, что связано с рядом их недостатков, а также значительными капитальными затратами на их приобретение и установку. Поэтому актуальным представляется совершенствование конструкций ВЭУ и повышение их технико-экономической эффективности при использовании в качестве источников энергоснабжения различных объектов. Целью работы является краткий анализ основных направлений повышения конкурентоспособности конструкций ВЭУ различных типов. Основными задачами являются: анализ конструкций ВЭУ различных типов, оценка энергетической и технико-экономической эффективности использования ВЭУ различных типов и анализ направлений повышения конкурентоспособности ВЭУ. Анализ конструкций энергоэффективных ВЭУ различных типов В настоящее время наиболее широко используются горизонтально-осевые (ГО) ВЭУ, у которых ветровой поток направлен вдоль горизонтальной оси вращения ветроколеса [1-3]. Традиционные ГО ВЭУ могут быть быстроходными с узкими лопастями несимметричного аэродинамического профиля (рис. 1 а, в) и тихоходными малой мощности с большим числом относительно широких лопастей, снабжаемых иногда жалюзи для уменьшения нагрузки в бурю (рис. 1, б). а б в Рис. 1. Основные типы ГО ВЭУ: быстроходные малолопастные малой мощности (а); тихоходные многолопастные малой мощности (б); быстроходные малолопастные большой мощности (в) Горизонтально-осевые ВЭУ, как быстроходные малолопастные, так и тихоходные многолопастные малой мощности (до 4,0 кВт), имеют в качестве ориентирующих на ветер устройств хвостовики различных конструкций. Быстроходные малолопастные ГО ВЭУ большой мощности (рис. 1, в) имеют гораздо более сложные и громоздкие системы ориентации на ветер, главным образом на основе виндрозного колеса, как на хвосте вертолета. Быстроходные ГО ВЭУ обычно более предпочтительны для получения электроэнергии, тихоходные лучше агрегируются с различными механическими устройствами (поршневыми насосами, компрессорами, мельницами и т. п.). Начиная с 1980-х гг., наряду с ГО ВЭУ стали достаточно широко применяться и вертикально-осевые (ВО) ВЭУ. К достоинствам всех видов ВО ВЭУ можно отнести: отсутствие необходимости использовать в их конструкции направляющие механизмы, т. к. работа этих установок не зависит от направления ветра; за счет вертикально расположенного главного вала приводное оборудование может быть расположено на уровне земли, что значительно упрощает его эксплуатацию. Вертикально-осевые ВЭУ имеют 2 основных типа ветроколеса: тихоходные, вращающеся за счет дифференциального лобового сопротивления лопастей, и быстроходные, вращающеся за счет подъемной силы, которая действует на лопасти крылового профиля [4-7]. Величина крутящего момента в ВО ВЭУ первого типа зависит от разницы усилий, которые воздействуют на поверхности, расположенные по разные стороны от оси вращения, а эти усилия определяются скоростью ветра, размерами тел (площадью лобового сечения) и коэффициентом лобового сопротивления (рис. 2). Рис. 2. Разнообразие конструкций ВО ВЭУ, работающих по принципу дифференциального лобового сопротивления Среди ветродвигателей (рабочего органа любой ВЭУ) небольшой мощности (до 5 кВт), действующих по принципу дифференциального лобового сопротивления, наиболее известны ротор Савониуса, имеющий 2 полуцилиндрические лопасти, частично перекрывающие друг друга около вертикальной оси вращения, и его модификация - ротор Виндсайт - с несколькими (от 3 до 8) разнесенными на большее расстояние полуцилиндрическими лопастями. Кроме того, стали применяться и более сложно устроенные разновидности ротора Савониуса с геликоиднымыми (винтообразными) лопастями, обеспечивающими более равномерное вращение ротора. Применение ротора Савониуса для более мощных ветроустановок нецелесообразно из-за их высокой парусности, материалоемкости и уровня ветровых нагрузок. Все эти ВО ВЭУ просто устроены, работают даже при очень низких скоростях ветра, но обладают невысоким КПД. Номинальная быстроходность этих турбин, как правило, меньше единицы, и они имеют относительно высокий пусковой момент. К настоящему времени разработано достаточно большое количество разнообразных ВО ВЭУ: быстроходных, вращающихся за счет подъемной силы, которая действует на кривые и прямые (ротор Дарье) и геликоидальные лопасти (ротор Горлова) крылового профиля (рис. 3). Рис. 3. Многообразие конструкций современных ВО ВЭУ, использующих для создания крутящего момента подъемную силу крыла Преимуществами ВО ВЭУ, использующих для создания крутящего момента подъемную силу крыла, перед ВО ВЭУ, работающими по принципу дифференциального лобового сопротивления, является их быстроходность, а недостатком - невозможность самозапуска. Наряду с двумя рассмотренными основными группами ВО ВЭУ, выпускаемыми серийно, существуют комбинированные ВО ВЭУ, в которых два описанных принципа действия сочетаются [4, 8]. Ветродвигатель Савониуса решает проблему сложного старта для турбин Дарье, но ухудшает эффективность ветродвигателя Дарье из-за завихрений, создаваемых турбиной Савониуса. Таким образом, значительные преимущества ВО ВЭУ комбинированного типа делают их наиболее перспективными для дальнейшего совершенствования и более широкого применения. Оценка эффективности использования ВЭУ различных типов Для того чтобы производить сравнительную оценку технических решений, в ветроэнергетике выработаны критерии, характеризующие энергетическую эффективность конструкции и режим работы: коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) и быстроходность. Под КИЭВ (энергетическим КПД) понимается отношение механической мощности, развиваемой ветродвигателем, к механической мощности воздушного потока, протекающего через пространство, ометаемое рабочими поверхностями (крыльями или лопастями) этого ветродвигателя. В международной ветроэнергетике принято обозначать КИЭВ СP. Теоретически доказано, что для идеального ветродвигателя, в котором не учитываются никакие потери, величина СP не может быть более 0,59. Рассмотрим основные эксплуатационные параметры, определяющие, в конечном итоге, совершенство конструкции и эффективность работы ветродвигателя, являющегося основной частью ВЭУ, которые описаны в работах [4-8]. Энергетическая эффективность ветродвигателя определяется коэффициентом мощности или энергетическим КПД ветродвигателя где PВД - мощность ветродвигателя, используемая в ВЭУ, Вт; ρ - плотность воздуха, кг/м; V - скорость ветра, м/с; S - площадь, ометаемая ветроколесом, м2. Коэффициент мощности СP зависит от коэффициента быстроходности Z, равного отношению окружной скорости на внешней стороне ветроколеса к скорости ветра, т. е. Параметры СP и Z являются основными эксплуатационными параметрами, определяющими совершенство конструкции и эффективность работы ветродвигателя. Коэффициент мощности СP имеет четко выраженный максимум при определенных значениях Z. Это максимальное значение существенно ниже теоретического предела CPmax = 16/27 = 0,59, имеющего название «предел Бетца» [5, 6], и колеблется в пределах от 0,15 до 0,50. Наибольшие значения СP реализуются для ГО ВЭУ пропеллерного типа при больших значениях Z. Многолопастные тихоходные ВЭУ имеют значения CPmax = 0,30÷0,35, причем этот максимум приходится на малые значения Z. Коэффициент быстроходности Z следует подбирать в диапазоне, где СP достигает своего максимума. Увеличение числа лопастей от 2 до 8 практически не влияет на величину CPmax. В то же время положение максимума сдвигается к меньшим значениям Z, что говорит о том, что при малых частотах вращения следует использовать многолопастные ветродвигатели, а при больших - ветродвигатели с малым числом лопастей nл = 2÷3. Многолопастные ветродвигатели целесообразно агрегировать с тихоходными поршневыми насосами и компрессорами, а малолопастные - с электрогенераторами и роторными насосами (центробежными, вихревыми и др.). Основные свойства любого ветродвигателя достаточно полно описываются зависимостью СP = f (Z), которая называется его главной энергетической характеристикой. На рис. 4 приведены главные энергетические характеристики ряда наиболее распространенных ветродвигателей [3, 4, 6, 7]. Рис. 4. Главные энергетические характеристики наиболее распространенных типов ветродвигателей Из рис. 4 очень хорошо видно, что вертикально-осевые ветротурбины, использующие для создания крутящего момента подъемную силу крыла, имеют коэффициент СP = 0,30÷0,40, очень близкий по величине к показателю быстроходных малолопастных ветроколес с горизонтальной осью вращения СP = 0,45. Максимальное значение КПД ВЭУ достигается в случае ее работы при расчетной скорости ветра (9-15 м/с) и номинальной мощности. Для оценки эффективности использования ВЭУ в реальных условиях эксплуатации в соответствии с [4] применяется КИЭВ, более объективно оценивающий все потери энергии при превращении энергии ветрового потока в полезно используемую энергию, определяемый из выражения где Wр - расчетная выработка полезно используемой энергии (электрической, тепловой, гидравлической, механической), вырабатываемой за расчетный период Т (сутки, месяц, год); Nн - номинальная мощность ВЭУ. Мощность ГО ВЭУ рассчитывается исходя из того, что направление ветра всегда совпадает с осью вращения ветроротора, т. е. ветер дует непосредственно на расчетную поверхность лопастей. В результате получается расчетная выработка энергии ГО ВЭУ Wр. Однако известно, что направление ветра не является постоянным. На рис. 5 показана зависимость ометаемой площади ветроколеса и, соответственно, мощности ГО ВЭУ от направления ветра, т. е. от угла наклона вектора ветрового потока к оси вращения ветродвигателя [3]. Рис. 5. Зависимость площади, ометаемой ветроколесом, от направления ветра Наличие систем управления делает ГО ВЭУ «медлительной» из-за долгой реакции, которая не может быть уменьшена. Система управления реагирует на то изменение направления ветра, которое остается постоянным в течение 15 мин. Ветер может поменять направление, например на 75°, и держать его 10 мин, а затем принять исходное направление. В этом случае система управления не будет подавать сигнал на разворот, следовательно, ротор и ГО ВЭУ в целом будут выдавать только 10 % номинальной мощности, т. е. мощность снизится в 10 раз, и фактически КИЭВ может уменьшиться до 0,03-0,04. Эта ситуация в течение суток может повторяться многократно, в результате средний КПД ВЭУ может снизиться до 0,15-0,25. Следовательно, ГО ВЭУ являются достаточно эффективными, но только тогда, когда точное направление ветра известно наверняка, чего практически не наблюдается. Таким образом, КИЭВ для ВО ВЭУ с ротором Дарье и ВО ВЭУ комбинированного типа будет более высоким, чем у ГО ВЭУ. Поэтому с энергетической точки зрения эти ВО ВЭУ будут более эффективными, чем ГО ВЭУ. Анализ основных технических и стоимостных показателей ГО ВЭУ различной мощности, производимых в странах ЕС (типов INCLIN 1500-INCLIN 3000, Nordex N-50 - Nordex N-80, LW 72, NM 110 и др.) показывает, что мощность выпускаемых ГО ВЭУ при увеличении диаметра от 2,8 до 110 м (т. е. в 39 раз) увеличивается с 1,5 до 4 200 кВт, т. е. в 2 800 раз [3, 9-12]. Это связано не только с тем, что мощность пропорциональна квадрату диаметра ветроколеса (т. е. изменяется в 1 521 раз), но и с увеличением скорости ветра, увеличивающейся с высотой башни практически пропорционально степени 0,5-0,6. Удельная стоимость ГО ВЭУ уменьшается с увеличением мощности от 1,5 до 2 500 кВт, т. е. в 1 667 раз (при увеличении диаметра ветроколеса от 2,8 кВт до 60 м, т. е. в 21 раз), от 2 376 долл./кВт до 883 долл./кВт, т. е. в 2,7 раза. Таким образом, более экономичными представляются более крупные ГО ВЭУ. Анализ показателей ВО ВЭУ, производимых фирмами «Falcon Euro», «Lavalin», ООО «ГРЦ-Вертикаль» и др. [4, 8, 13], показывает, что удельная стоимость ВО ВЭУ уменьшается с увеличением мощности от 1,5 до 4 200 кВт c 2 690 долл./кВт до 1 049 долл./кВт, т. е. в 2,6 раза. Срок экономической окупаемости может быть определен по полученной в [14] формуле (1) где Kи - коэффициент использования установленной мощности; Tг - годовое время работы ВЭУ, ч/год; Сээ - стоимость замещаемой энергии (индекс ЗЭ?) (руб./кВт∙ч). Результаты расчетов по формуле (1) показали следующее. Срок окупаемости увеличивается в пределах от 2 до 50 лет, при увеличении удельных капитальных вложений в ВЭУ от 25 до 150 тыс. руб./кВт (0,417 до 2,500 тыс. долл./кВт) и уменьшении стоимости замещаемой электроэнергии Сээ от 5,0 до 2,0 руб./кВт·ч. Приемлемые для практического применения при сроке окупаемости не более 7 лет при увеличении Сээ от 2,0 до 5,0 руб./кВт·ч составят от 25 до 63 тыс. руб./кВт. В настоящее время тариф на электроэнергию в Астраханской области составляет 4,34 руб./кВт∙ч, поэтому удельные капитальные вложения в ВЭУ при сроке окупаемости = 7,0 лет не должны превышать = 53 тыс. руб./кВт (884 долл./кВт). В частности, вполне обоснованным может быть применение ГО ВЭУ большой мощности для создания ВЭС. При совершенствовании конструкций комбинированных ВО ВЭУ, разрабатываемых в Лаборатории нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра РАН при Астраханском государственном техническом университете, значения удельных капитальных вложений могут быть существенно (до 53 тыс. руб./кВт) снижены. Такие ВО ВЭУ малой мощности могут применяться для автономного энергоснабжения объектов, удаленных от централизованных систем энергоснабжения. Рекомендации по повышению эффективности применения ВЭУ Выполненный анализ энергетической и технико-экономической эффективности конструкций ВЭУ различных типов показывает, что уже в настоящее время вполне обоснованным может быть применение ГО и ВО ВЭУ большой мощности для создания ВЭС, соединенных с централизованной энергосистемой. Коэффициент использования энергии ветра у этих ГО ВЭУ может оказаться не более 0,15-0,25 за счет несовершенных систем управления, делающих ГО ВЭУ «медлительной» из-за долгой реакции, которая не может быть уменьшена. Горизонтально-осевые и вертикально-осевые ВЭУ мощностью до 30 кВт могут быть применены для автономного энергоснабжения небольших жилых зданий, сельскохозяйственных объектов (например, фермерских хозяйств) и производственных объектов (станций техобслуживания, мастерских, автозаправок и пр.), удаленных от централизованных систем энергоснабжения. Однако эти ВЭУ должны совершенствоваться, в частности, должны развиваться ВО ВЭУ на основе комбинированного ротора Дарье и Савониуса, имеющего высокий энергетический КПД, равный 0,36, что лишь ненамного ниже, чем для ВО ВЭУ с ротором Дарье (0,40), но при этом обладающего способностью самозапуска [4]. Такие ВО ВЭУ смогут быть вполне конкурентоспособными наряду с выпускаемыми установками, обладая более высокой энергетической и технико-экономической эффективностью. Для автономного теплоснабжения небольших объектов, например коттеджей, могут быть применены ГО и ВО ВЭУ мощностью 10-30 кВт, вырабатывающие электроэнергию, которая направляется в теплоэлектронагреватели или используется для приводов тепловых насосов. Второй вариант является более эффективным с энергетической точки зрения, т. к. коэффициент преобразования теплоты в теплонасосной установке может достигать 4,0-5,0, в то время как энергетический КПД теплоэлектронагревателя не превышает 1,0. Агрегирование комбинированных ВО ВЭУ с насосами различных конструкций (главным образом поршневых) позволит использовать их для водоподъема. Они при равных прочих условиях смогут иметь за счет более высокого КПД подачу в 1,5-2,0 раза больше, чем у традиционных тихоходных многолопастных ВЭУ. Следует отметить, что для автономного электроснабжения, теплоснабжения и водоподъема наряду с ВЭУ могут применяться фотоэлектрические станции, солнечные водонагревательные установки, биогазовые установки и другие энергоисточники. Это наряду с соответствующими аккумулирующими системами (электрическими аккумуляторами, тепловыми аккумуляторами, баками-аккумуляторами) позволит обеспечить потребителя энергией и водой в период безветрия [2]. Выводы 1. Анализ конструкций ветроэнергоустановок (ВЭУ) показывает, что наряду с горизонтально-осевыми ветроэнергоустановками (ГО ВЭУ) в настоящее время стали достаточно широко применяться и вертикально-осевые ветроэнергоустановки (ВО ВЭУ). Преимуществом ВО ВЭУ перед ГО ВЭУ является независимость их работы от направления ветра. Значительные преимущества ВО ВЭУ комбинированного типа на основе ветродвигателей Дарье и Савониуса делают их наиболее перспективными для дальнейшего совершенствования и более широкого применения. 2. Мощность ГО ВЭУ зависит от направления ветра, т. е. от угла наклона вектора ветрового потока к оси вращения ветродвигателя. Наличие систем управления делает ГО ВЭУ «медлительной» из-за долгой реакции, которая не может быть уменьшена, в результате КИЭВ у ГО ВЭУ большой мощности может снизиться до 0,15-0,25 и стать ниже, чем у ВО ВЭУ, который составляет 0,20-0,40. Расчеты показывают, что срок окупаемости ВЭУ увеличивается в пределах от 2 до 50 лет, при увеличении удельных капитальных вложений в ВЭУ от 25 до 150 тыс. руб./кВт (от 0,417 до 2,500 тыс. долл./кВт) и уменьшении стоимости замещаемой электроэнергии от 5,0 до 2,0 руб./кВт·ч. Удельные капитальные вложения в ВЭУ при сроке окупаемости 7,0 лет не должны превышать 53 тыс. руб./кВт (884 долл./кВт). 3. Вполне обоснованным может быть применение ГО и ВО ВЭУ большой мощности для создания ВЭС, соединенных с централизованной энергосистемой. Горизонтально-осевые и вертикально-осевые ВЭУ мощностью до 30 кВт могут быть применены для автономного энергоснабжения небольших объектов, удаленных от централизованных систем энергоснабжения. Водоподъемные ВО ВЭУ при равных прочих условиях смогут иметь за счет более высокого КПД подачу в 1,5-2,0 раза больше, чем традиционные тихоходные многолопастные водоподъемные ГО ВЭУ.
Список литературы

1. Семкин Б. В., Стальная М. И., Свит П. П. Использование возобновляемых источников энергии в малой энергетике // Теплоэнергетика. 1996. № 2. С. 6-7.

2. Шишкин Н. Д. Эффективное использование возобновляемых источников энергии для автономного теплоснабжения различных объектов: моногр. Астрахань: Изд-во Астрахан. гос. техн. ун-та. 2012. 208 с.

3. Чивенков А. И., Лоскутов А. Б., Михайличенко Е. А. Анализ применения и развития ветроустановок // Промышленная энергетика. 2012. № 5. С. 57-63.

4. Соломин Е. В. Методология разработки и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок: моногр. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2011. 324 с.

5. Баклушин П. Г., Вашкевич К. П., Самсонов В. В. Экспериментальное исследование аэродинамических характеристик ортогональных крыльчатых ветроколес // Сб. науч. тр. Гидропроекта. 1988. Вып. 129. С. 98-105.

6. Горелов Д. Н. Энергетические характеристики ротора Дарье (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. 2010. Т. 17. № 3. С. 325-333.

7. Моди Ф. Характеристики ветродвигателя Савониуса // Современное машиностроение. Сер. А. 1988. № 10. С. 139-148.

8. Турян К., Стриклэнд Дж. Мощность ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения // Аэрокосмическая техника. 1988. № 8. С. 100-115.

9. Шишкин Н. Д., Манченко Е. А. Аналитическое исследование параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2013. № 1. С. 155-161.

10. «Зеленая» энергетика. URL: http://investcafe.ru/blogs/41727771/posts/32994//.

11. В Астраханской области и Калмыкии построят 3 ветроэнергостанции. URL: https://casp-news.ru/news/russia/v-astrakhanskoy-oblasti-i-kalmykii-postroyat-3-vetroenergostantsii.

12. Ветрогенераторы горизонтальные. URL: energy-ds.ru/.

13. Ветрогенераторы вертикальные в России. URL: https://tiu.ru/Vetrogeneratory-vertikalnye.html.

14. Шишкин Н. Д. Методология оценки эффективности комбинированных энергоустановок и энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии // Материалы XII Междунар. науч.-техн. конф. «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики. Пути решения» (Саратов, 29-31 октября 2014 г.). Саратов: Изд-во СГТУ, 2014. С. 199-203.