Вітроенергетика

Використання нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії (НВДЕ) світова спільнота розглядає як один із найбільш перспективних шляхів вирішення зростаючих проблем енергозабезпечення.

 

                               Вітряки

Вітря́к — споруда, що використовує силу вітру як джерело енергії, і використовується для того, щоб молоти зерно, а також в деяких місцевостях для перепомпування води, молочення зерна, розпилу деревини.

Також вітряками в наш час  інколи називають вітрові електростанції.

 

Історія

Вважається, що вітряки, або вітряні млини з'явились пізніше ніж водяні. Є відомості про вітряки у стародавній Персії близько VII ст. до н. е. та в Китаї у ХІІІ столітті н. е.

 Європі, вітряки згадуються з середніх  віків. Найбільш ранні згадки  датуються ХІІ століттям. Це були вітряні млини для зерна. Згодом вітряки почали використовуватись як лісопилки та молотарки. Доволі швидко вітряки стали переважати водяні млини у рівнинних регіонах, де нема великого перепаду висот для ефективної роботи водяного млина.

Одними  з найвідоміших у Європі вітряків є голландські. В Голландії вони використовувались для перепомпування води та осушування боліт. Для освоєння нових земель потрібен був постійний дренаж боліт. Оскільки один вітряк, відповідно до законів фізики, може помпувати воду тільки на певну висоту, то були побудовані серії вітряків, де кожен наступний випомпомповував воду в щоразу вищий резервуар. Найбільший комплекс з вітряків, що зберігся до нашого часу в Кіндердайку, отримав статус світової спадщини ЮНЕСКО. Не менш відомі вітряки XVII-XVIII ст., зібрані у музеї просто неба у Зансе Сханс (Північна Голландія).

Інший європейський регіон, відомий своїми вітряками, - Ла-Манча, Іспанія. Тутешні вітряки  стали знаменитими завдяки Сервантесу, який зобразив сцену боротьби а з  вітряками у своєму романі «Дон Кіхот».

 

Вітряки в Україні

Вітряки в Україні мають доволі тривалу історію. відомості, що водяні млини на території України з'явилися 7 тисяч років тому, а вітряки — 4 тисячі років тому. Хоча поширеніша точка зору, що вони відомі з часів Київської Русі.

Так само як і в Європі, на відміну  від гірських місцевостей Карпат, у селах Полтавщини, Слобожанщини, Наддніпрянщини та Півдня України вітряків було значно більше, ніж водяних млинів. Будували їх обабіч доріг, у полі, чи на пагорбах за селом, поодинці, або групами, інколи до кількох десятків разом. Вітряки відігравали важливу роль в забудові сільських поселень, визначали їхнє архітектурне обличчя, формували краєвид українського села. Будівництво вітряків, їх роботу оспівано в піснях, легендах, переказах. Вітряки часто зображували у своїх творах художники.

Вітряки були місцем, де збиралася  сільська громада для обговорення  різних питань, нерідко подалі від  ока сільської влади. Біля вітряків збиралася й молодь, водила веснянки, влаштовувала різні забави. Вітряки створювали особливий колорит українських сіл, польових доріг. Біля них подорожні відпочивали, по них відмірювали дорогу. Це були наче сторожові вежі.

Наприкінці ХІХ — поч. ХХ сторіччя в Україні існували два типи вітряків: стовпові, коли навколо стовпа, вкопаного в землю, на основі (стільці) обертався до вітру весь корпус вітряка за допомогою дишла (водила), і шатрові, коли повертався верх вітряка, а корпус був нерухомий. На Поліссі серед останніх виділялися вітряки з багатогранним зрубним корпусом — кругляки.

Вітряки мали чотири, шість або  й вісім крил, які під дією вітру  обертали вал. На валу закріплювалося велике дерев'яне палечне колесо-шестерня з передачею на баклушу— вертикальну шестерню, насаджену на веретено, яке закінчувалося роздвоєнням, що вставлялося в потилицю і обертало верхній камінь. Щілина між каменями, від якої залежала кондиція борошна, регулювалася важелем із гвинтом. Над жорнами встановлювали кіш, куди засипали зерно, під кошем — лоток з коником, який вібрував, ударяючись об грані веретена. З лотка зерно сипалося в отвір верхнього каменя. Піднімаючи за допомогою мотузки на блочку лоток вгору чи опускаючи вниз, регулювали кількість зерна, що сипалося в жорна. Для регулювання обертів крил використовували гальмо.

Шатрові вітряки мали зрубні стіни, поєднання зрубу та каркаса, на Півдні — часто кам'яні. Для підйому  мішків із зерном у вітряках влаштовували блочки на гачках біля дверей.

Енергія вітру

Сила вітру це одне з найстародавніших використовуваних людством джерел енергії, яке, безперечно, є одним з найбільш економічних. Мореплавці використовували  силу вітру для морських подорожей  під вітрилами ще за 3500 років до нової ери. Прості вітряки були широко поширені в Китаї 2200 років тому. На Середньому Сході, в Персії, близько 200 року до н.е. почали використовуватися вітряки з вертикальною віссю для перемелювання зерна. Перші персидські вітряки виготовлялися з в'язанок очерету, які прикріплялися до дерев'яної рами, що оберталася, коли дув вітер; стіна навколо вітряка спрямовувала потік вітру проти лопатей.

 В XI столітті в Європі почали  поширюватися вітряки, що завозилися  мандрівними купцями та лицарями  з хрестових походів. Ці перші  млини постійно вдосконалювалися, спочатку голландцями, потім англійцями, і врешті набули конструкції з горизонтальною віссю. Жителі Голландії виявили, що вітром дуже зручно користуватися для відкачування води, щоб осушити землю, що для цієї країни, яка розташована в низинах і тому потерпає від повеней, є дуже актуальним. Найбільш активно в допромисловій Європі вітряки використовувались у XVІІІ столітті, коли лише в одній Голландії їх було понад сто тисяч. З їхньою допомогою мололи зерно, качали воду й пиляли дрова. Згодом більшість вітряків, нездатних конкурувати з дешевим і надійним викопним паливом, було замінено паровими двигунами. Однак і сьогодні вітряки використовуються досить широко.

 В історії Сполучених Штатів  вітряки відіграли дуже важливу  роль в освоєнні Заходу Америки наприкінці XIX століття. Вони були життєво необхідні першим поселенцям Великих рівнин. Вітряки поставляли воду на залізницю та пасовища, в місця, віддалені від рік і джерел води. Пізніше вітряки стали використовувати у віддалених від населених пунктів господарствах для вироблення електричної енергії. За останні 100 років американці створили понад 8 мільйонів вітрових установок для водопідняття, призначених у більшості випадків для пасовищ і худоби.

 У старих вітряків лопаті  були дерев'яними і могли використовувати близько 7% енергії вітру. Завдяки новаторській праці Томас Перги, який наприкінці XIX століття провів близько 5000 експериментів з різними видами "колеса" (тобто ротора), дерев'яні лопаті поступилися місцем лопатям з вигнутого металу, що збільшило ефективність установок вдвічі - до 15%.

 Використовували енергію вітру  з давніх часів і в Україні. 1917 року тут було близько 30 тисяч вітряків, потужність яких  становила близько 200 тис. кВт.  З початком колективізації кількість  вітряків значно зменшилася, а прагнення до гігантизму в радянські часи практично витіснило їх із використання. Лише починаючи з 90-х років ситуація з вітроенергетикою в Україні змінилася на користь її розвитку.

 Енергія вітру вічно поновлювана  й невичерпна, поки гріє Сонце.  Вітер утворюється на землі в результаті нерівномірного нагрівання її поверхні Сонцем.

 Повітря над водною поверхнею  впродовж світлої частини доби  залишається порівняно холодним, оскільки енергія сонячного випромінювання  витрачається на випаровування  води та поглинається нею. Над сушею повітря нагрівається завдяки тому, що вона поглинає сонячну енергію менше, ніж поверхня води. Нагріте повітря розширюється і піднімається вгору, а його заміняє холодне повітря від поверхні води. Вночі суша охолоджується швидше, ніж вода, і температура над водою буде вище, ніж над сушею. Тому вітри міняють свій напрямок, і холодне повітря суші витісняє нагріте повітря водної поверхні.

 Аналогічно відбуваються зміни  напрямку вітрів у гірській  місцевості, де протягом дня тепле  повітря піднімається вздовж схилів, а вночі холодне повітря спускається в долини.

 Повітря циркулює й внаслідок  обертання Землі: рух відбувається  в напрямку, протилежному напрямку  руху годинникової стрілки в  північній півкулі, та за напрямком  руху годинникової стрілки - в південній.

 Що ж таке енергія вітру?  Частина сонячної енергії, яка  досягає зовнішніх шарів земної  атмосфери, перетворюється на  кінетичну енергію частинок повітря,  які рухаються, тобто вітру.  Кінетична енергія вітрового  потоку дорівнює

 

A=(m•v2)/2,

 

де m - маса повітря, що рухається, кг;

v - швидкість вітру, м/с.

 

Енергія вітру має ряд специфічних  особливостей: малу концентрацію, віднесену  до одиниці об'єму повітряного  потоку; випадковий характер зміни  швидкості; з другого боку, повсюдне розповсюдження цього джерела енергії, надто досконалі технічні засоби вітроенергетики і їх економічна ефективність дозволяють розглядати його як доповнення до "великої" енергетики, насамперед для забезпечення енергією споживачів у важкодоступних районах, віддалених від джерела централізованого енергопостачання.

 

 Потужність вітрового потоку  визначається як

 

P=A/?= ?((F•v3)/2),

 

де ? - густина повітря, кг/м;

F - площа, яку перетинає вітровий  потік, м2;

v - швидкість вітру, м/с.

 

Вітрове колесо, розміщене в потоці повітря, може у кращому випадку теоретично перетворювати на потужність на його валу 16/27 = 0,59 (критерій Бетца) потужності потоку повітря, що проходить через площу перерізу, охоплювану вітровим колесом Цей коефіцієнт можна назвати теоретичним ККД ідеального вітрового колеса. Насправді ККД нижчий і досягає для найкращих вітряних колес приблизно 0,45. Це означає, наприклад, що вітрове колесо з довжиною лопаті 10 м за швидкості вітру 10 м/с у найкращому випадку може мати потужність на валу 85 кВт.

 Місцевості, придатні для розміщення вітроагрегатів, поділяються на декілька класів (згідно з типами нерівностей). Такий поділ (див. табл. 1,) демонструє можливості забезпечення енергією вітроустановок в умовних одиницях (10 балів відповідає відсутності нерівностей, тобто 0-й клас поверхні), згідно з методикою європейської практики будівництва вітростанцій.

 

 Таблиця 1 - Класифікація вітрового потенціалу місцевостей за характером нерівностей

Клас нерівності	Топографія місцевості	Енергопотенціал
1	Відкрита місцевість без високої рослинності та лісів	6,8
2	Окремі будинки з відстанню 1000м  між ними	4,6
3	Забудований район, ліси, пересічена місцевість	2,4

Оцінка енергозабезпеченості за балами залежно від характеру місцевості не завжди однозначна. Відомо, що після  забудови місцевості або після насадження дерев її аеродинаміка може різко змінитися, може збільшитися кількість вітрового часу й зрости сила вітру. Те саме стосується й гірської місцевості. Незважаючи на значні захаращення в окремих місцях, пересіченість місцевості може утворювати щось подібне до каналів, в яких швидкість вітру набагато вища, ніж на відкритій місцевості.

 

Для кожної місцевості зміна швидкості  вітру за висотою (епюра швидкостей вітру) має характерний вигляд, наведений  на рис.1

 

Рисунок 1 – Епюра швидкостей вітру над певною місцевістю

 

На малюнку видно, що крім середньорічної швидкості для кожної місцевості є свій профіль швидкостей, який, впливає на величину швидкісного  напору. Ось чому для ефективного  уловлювання вітру є своя оптимальна висота розташування вітроагрегату над рівнем землі. Так само, як і для середньорічної швидкості, попередньо робляться дослідження ефективної висоти розташування вітроагрегату при різних вітрових навантаженнях і потужностях самого вітроагрегату.

 Є дві принципово різні конструкції вітроустановок: з горизонтальною і вертикальною віссю обертання. Більш поширені вітроустановки з горизонтальною віссю (рис. 2).

Рисунок 2 – Принципова схема вітроустановки

 

Основними елементами вітроенергетичних  установок є вітроприймальний пристрій (лопаті), редуктор передачі крутильного моменту до електрогенератора, електрогенератор і башта. Вітроприймальний пристрій разом з редуктором передачі крутильного моменту утворює вітродвигун. Завдяки спеціальній конфігурації вітроприймального пристрою в повітряному потоці виникають несиметричні сили, що створюють крутильний момент. Залежно від потужності генератора вітроустановки поділяються на класи, їхні параметри та призначення наведено в табл. 2.

 

Таблиця 2 - Класифікація вітроустановок

Клас установки	Потужність, кВт	Діаметр колеса, м	Кількість лопатей	Призначення
Малої потужності	15-50	3-10	3-2	Зарядження акумуляторів, насоси, побутові потреби
Середньої потужності	100-600	25-44	3-2	Енергетика
Великої потужності	1000-4000	>45	2	Енергетика

Оскільки вітер може змінювати  свою силу та напрямок, вітрові установки  обладнуються спеціальними пристроями контролю та безпеки. Ці пристрої складаються  з механізмів розвертання вісі обертання  за вітром, нахилу лопатей відносно землі за критичної швидкості вітру, системи автоматичного контролю потужності й аварійного відключення для установок великої потужності.

 Вітроенергетичні установки  з вертикальною віссю обертання  мають перевагу перед установками  з горизонтальною віссю, яка  полягає насамперед в тому, що зникає необхідність у пристроях для орієнтації на вітер, спрощується конструкція та знижуються гіроскопічні навантаження, які зумовлюють додаткову напругу в лопатях, системі передач та інших елементах установки.