Преимущества использования ветровых турбин вертикальной оси в городских условиях

Введение

По мере роста городского населения и увеличения спроса на чистую энергию города все чаще изучают децентрализованные возобновляемые источники энергии. Среди наиболее перспективных, но недостаточно используемых технологий - ветряные турбины вертикальной оси (VAWTs). В отличие от их высоких аналогов горизонтальной оси, VAWTs уникально подходят для сложных ветровых сред, обнаруженных в населенных районах. Их компактный след, низкий уровень шума и способность эффективно работать в турбулентных, разнонаправленных ветрах делают их привлекательным вариантом для крыш, парков и промышленных зон. В этой статье рассматриваются преимущества, проблемы и реальные применения VAWT в городских условиях, подчеркивая, как они могут способствовать более устойчивым и устойчивым городам.

Вертикальная ось ветровых турбин

Вертикальные ветряные турбины оси определяются их вертикально ориентированным валом ротора. В то время как горизонтальные ветряные турбины оси (HAWT) должны рыскать, чтобы противостоять ветру, VAWT могут захватывать энергию с любого направления без механической регулировки. Это фундаментальное различие в конструкции дает им явное преимущество в городских условиях, где ветер постоянно смещает направление и нарушается зданиями и инфраструктурой.

Существует несколько основных типов VAWT:

• Турбины Дарриуса — названные в честь французского изобретателя Жоржа Дарриуса, они используют изогнутые лопасти, напоминающие яйцебиение. Они полагаются на подъёмные силы и могут достигать высоких скоростей вращения, что делает их эффективными для выработки электроэнергии.
• Савониусные турбины — построены из полуцилиндров или скупов, они работают на силе сопротивления. Они производят более низкие скорости вращения, но предлагают отличный стартовый крутящий момент и очень надежны в условиях низкого ветра.
• H-роторные (или Giromill) турбины — вариация конструкции Дарриуса с использованием прямых вертикальных лопастей, прикрепленных к центральной башне. Эта конфигурация упрощает производство и позволяет увеличить выходную мощность при умеренных скоростях ветра.
• Верховные турбины — гибридная конструкция, где лопасти скручиваются по вертикальной оси, уменьшая крутящий момент и улучшая плавность работы.

Каждый тип имеет определенные сильные стороны и компромиссы, но все они имеют основное преимущество работы независимо от направления ветра.

Основные преимущества VAWT в городских условиях

Преимущества VAWT для городов выходят далеко за рамки простого захвата ветра. При развертывании в строительном или районном масштабе они предлагают ряд практических, экологических и социальных преимуществ.

Компактный дизайн и космическая эффективность

Городская недвижимость стоит на премиальном уровне, а открытое наземное пространство ограничено. VAWT могут быть установлены на крышах, над парковками, вдоль автомагистралей или в небольших карманах земли между сооружениями. Их вертикальная ориентация означает, что они занимают относительно небольшой участок земли по сравнению с пройденной площадью турбины горизонтальной оси эквивалентной мощности. Многие современные конструкции VAWT являются модульными, позволяя объединять несколько единиц на одной крыше, не мешая потоку воздуха друг друга. Это делает их идеальными для интеграции в существующую строительную инфраструктуру.

Всенаправленный захват ветра

В городах ветер редко дует устойчиво с одного направления. Здания создают турбулентность, вихри и ченнелинговые эффекты, которые вызывают быстрые изменения скорости и направления ветра. Традиционные HAWT плохо работают в таких условиях, потому что их механизмы рыскания изо всех сил пытаются удержать ротор, направленный на ветер. VAWT, напротив, принимают ветер с любого направления без регулировки. Эта характеристика, известная как всенаправленность , позволяет им извлекать энергию из хаотических городских ветровых потоков, которые заставят горизонтальную турбину застопориться или пострадать от чрезмерного износа.

Уменьшение шума и вибрации

Шумовое загрязнение является основной проблемой для любой механической установки в густонаселенном районе. VAWT обычно генерируют меньше аэродинамического шума, чем HAWT, потому что их кончики лопастей движутся с более низкими относительными скоростями. Отсутствие коробки передач во многих конструкциях с прямым приводом также устраняет основной источник механического шума. Кроме того, конфигурация вертикальной оси снижает передачу низкочастотных колебаний через конструкцию здания. Это делает VAWT более приемлемыми для жилых и смешанных районов, где часто применяются строгие шумовые предписания.

Безопасность для дикой природы и людей

Столкновения птиц и летучих мышей с лопастями ветряных турбин являются хорошо документированным экологическим вопросом. HAWTs, с их быстро движущимися горизонтально вращающимися лопастями, представляют значительный риск для жизни птиц. VAWTs, с другой стороны, имеют более медленную скорость вращения и более предсказуемый путь лопасти, что облегчает их избегание. Кроме того, более низкая высота ротора снижает риск ударов лопастями. С точки зрения безопасности человека, VAWTs по своей сути более безопасны, потому что их компоненты ближе к земле и менее вероятно бросают лед или мусор во время работы.

Эстетическая интеграция

Визуальное воздействие часто является барьером для принятия ветровых турбин в городских районах. Большие горизонтальные турбины доминируют в горизонте и могут рассматриваться как промышленные бельма. VAWTs поддаются более творческой архитектурной интеграции. Их гладкие вертикальные формы могут быть замаскированы под строительные элементы, такие как спиральные башни, скульптурные установки или интегрированы в края крыш. Верхние и H-роторные конструкции, в частности, часто хвалят за их современный, минималистский внешний вид. Некоторые производители даже предлагают цветовую настройку для соответствия фасадам зданий.

Технические преимущества турбулентных ветров

Ветер в городах не только многонаправленный, но и сильно турбулентный, с быстрыми колебаниями скорости и направления. Эта среда представляет уникальные проблемы для аэродинамики ветровых турбин. ВАВТ, особенно Дарриус и H-роторные типы, демонстрируют лучшие показатели турбулентного потока по сравнению с HAWT. Их большая площадь поверхности и высокая твердость (отношение площади лопасти к площади прометания) позволяют им захватывать больше энергии от турбулентных порывов. Кроме того, поскольку ВАВТ не полагаются на точное выравнивание рыскания, они могут быстрее реагировать на переходные события ветра, сглаживая выходную мощность.

Исследования показали, что оценки городских ветровых ресурсов часто недооценивают потенциал ВАВТ. В то время как средняя скорость ветра на высоте крыши может быть низкой, интенсивность турбулентности может быть высокой, и ВАВТ специально разработаны для использования этой турбулентности. В сочетании с местными системами хранения энергии ВАВТ могут обеспечить надежный источник распределенного электричества для освещения, ВВАК или зарядки электромобилей в зданиях.

Экономическое и экологическое воздействие

Анализ затрат и выгод

Первоначальные затраты на покупку и установку VAWT обычно выше на киловатт, чем аналогичный HAWT. Однако при учете затрат на баланс системы, таких как разрешение, работа фундамента и подключение к сети, установки VAWT могут быть более экономичными в городских условиях. Упрощенные требования к фундаменту (часто устанавливаемые на крыше без тяжелых бетонных пирсов) и уменьшенная сложность строительства компенсируют некоторые из первоначальных затрат. Долгосрочные эксплуатационные расходы также ниже, потому что VAWT, как правило, требуют менее частого обслуживания, а их компоненты более доступны для ремонта.

Прогресс в производстве, особенно использование легких композиционных материалов и 3D-печати для лопастей, снижает затраты. По мере увеличения производства, уравновешенная стоимость энергии (LCOE) для городских ВАВТ, как ожидается, приблизится к паритету с солнечными фотоэлектрическими установками во многих городах, особенно в сочетании со встроенными в здание ветровыми системами.

Энергетическая прибыль в городской среде

Несколько исследований измерили фактическую выходную мощность VAWT в реальных городских условиях. Заметное исследование, проведенное Университетом Западной Англии, контролировало турбину Savonius на крыше в Бристоле и обнаружило годовые коэффициенты мощности 12-15%, сопоставимые или превышающие небольшие горизонтальные турбины в аналогичных местах. Семинар под руководством ARUP «Ветроэнергетика в построенной среде» пришел к выводу, что VAWT могут способствовать 10-20% годового спроса на электроэнергию в здании в подходящих климатических условиях. Эти цифры подчеркивают, что, хотя VAWT не являются заменой крупномасштабным ветровым электростанциям, они являются значимой частью диверсифицированного городского возобновляемого портфеля.

Углеродный след уменьшается

Каждый киловатт-час, генерируемый VAWT, вытесняет электричество из сети, которое может поступать из ископаемого топлива. Согласно анализу жизненного цикла, VAWT имеют период окупаемости углерода 6-18 месяцев, в зависимости от ветровых ресурсов и производственных выбросов. После работы они производят почти нулевые выбросы. В городах, которые также полагаются на природный газ для пиковой мощности, VAWT могут помочь уменьшить эффект городского теплового острова, генерируя электричество локально без сгорания. Кроме того, уменьшая потери передачи через распределенную генерацию, VAWT улучшают общую эффективность сети.

Проблемы и соображения

Установка и первоначальные затраты

Несмотря на падение цен, первоначальные инвестиции в систему VAWT остаются выше, чем во многие другие маломасштабные возобновляемые варианты, такие как солнечная крыша. Стоимость монтажа, проводки и интеграции со строительными электрическими системами может добавить значительные расходы. Процессы разрешения для ветряных турбин в городских районах часто более сложны, чем для солнечной энергии, потому что планировщики должны учитывать шум, структурную загрузку и теневой мерцание. Обеспечение финансирования может потребовать четкой демонстрации окупаемости энергии, которая может быть неопределенной в переменных городских ветрах.

Обслуживание и долговечность

Хотя VAWT обычно легче обслуживать, чем HAWT, поскольку компоненты находятся на уровне земли или крыши, они не защищены от отказа. Подшипники в вертикально ориентированном роторе испытывают различные нагрузки, чем в горизонтальной турбине, и в некоторых конструкциях они подвержены усталости. Обломки, птицы и лед все еще могут наносить ущерб. Регулярный осмотр и очистка необходимы для поддержания эффективности. Однако модульный характер многих конструкций VAWT означает, что отдельные турбины могут быть быстро заменены, если происходит отказ, сводя к минимуму время простоя.

Оценка сайта и участие сообщества

Для успешного развертывания VAWT в городах требуется тщательный анализ участка. Такие факторы, как эффекты пробуждения на крыше, высота соседних зданий и местные модели ветра, должны быть смоделированы. Для оптимизации размещения турбин все чаще используются модели с расчетной динамикой текучей среды (CFD). Не менее важно взаимодействие с жителями и заинтересованными сторонами. Озабоченность по поводу визуального воздействия, шума и ценностей собственности должна решаться посредством прозрачного диалога и демонстрации преимуществ. В некоторых городах установлены «дружественные к ветру» наложения зонирования, которые упрощают разрешение для утвержденных моделей VAWT.

Тематические исследования и примеры из реального мира

Несколько городов по всему миру уже приняли VAWT, предлагая ценные уроки для более широкого внедрения.

• Берлин, Германия — Кластер VAWT типа Darrieus, установленный на крыше коммерческого здания в районе Митте, обеспечивает примерно 15% электроэнергии общего пользования здания. Проект был частью финансируемой городом программы возобновляемых источников энергии и надежно работает более пяти лет.
• Нью-Йорк, США — Проект «Ветробашня» на Бруклинском военно-морском дворе использует спиральную VAWT, интегрированную в общественную скульптуру. Он питает освещение для соседнего парка и служит образовательным инструментом для посетителей. Проект получил награду Urban Land Institute за инновации.
• Токио, Япония — В плотно упакованном подопечном Синдзюку на высотном многоквартирном доме был установлен набор турбин Savonius, дополняющих солнечные батареи. Турбины работают бесшумно и были хорошо приняты жителями, которые ценят вклад в достижение цели нулевого уровня выбросов в здании.
• Лондон, Великобритания — На крыше комплекса H-роторных ВАВТ на базе разработки King’s Cross установлена система насосов централизованного отопления. Установка была интегрирована в фасад здания, демонстрируя эстетическую осуществимость.

Эти примеры показывают, что VAWT могут успешно применяться в различных климатических условиях, типах зданий и нормативных средах.

Будущие тенденции и технологические инновации

В следующем десятилетии, вероятно, будут достигнуты значительные успехи в технологии VAWT, обусловленные материаловедением, системами управления и оптимизацией дизайна. Исследователи изучают использование умных материалов , таких как сплавы с памятью формы для лопастей, которые могут морфировать для оптимизации производительности при различных ветрах. Машинное обучение Алгоритмы разрабатываются для прогнозирования городских ветровых моделей и регулировки работы турбины в режиме реального времени для максимальной производительности. Гибридные системы , которые сочетают VAWT с солнечными батареями и аккумулятором на одной крыше, становятся коммерчески доступными, предлагая более надежный и диспетчеризируемый возобновляемый источник.