Table of Contents

Введение: зачем городам нужна энергия ветра

Городские центры потребляют более двух третей мировой энергии и производят соответствующую долю выбросов углерода. По мере того, как города берут на себя обязательства по достижению нулевых целей и мандатов на возобновляемые источники энергии, поиск децентрализованных, подходящих для участка технологий генерации активизировался. Солнечные панели на крышах стали обычным явлением, но энергия ветра остается недостаточно используемой в плотных городских условиях. Проблема заключается не в отсутствии ветра, а в сложности развертывания обычных ветряных турбин в пространствах, определяемых сложным воздушным потоком, ограниченным присутствием и строгими правилами шума и вибрации. Вертикальные ветряные турбины оси (VAWT) становятся убедительным решением этой проблемы, предлагая форм-фактор и эксплуатационный профиль, которые гораздо более тесно связаны с ограничениями и возможностями построенной среды.

В отличие от привычных трехлопастных турбин горизонтальной оси, которые доминируют на ветропарках в сельской местности и на шельфе, VAWT представляют собой принципиально другую инженерную философию. Их вертикальный вал ротора позволяет им принимать ветер с любого направления без механизмов рыскания, а их компактный, часто визуально более низкий профиль конструкции может быть интегрирован в архитектуру здания, а не требовать больших, отдельных установок. Для градостроителей, архитекторов и менеджеров по энергетике, стремящихся диверсифицировать на месте возобновляемую генерацию, понимание полных возможностей и ограничений VAWTs имеет важное значение для принятия обоснованных инвестиционных решений.

Что такое ветровые турбины вертикальной оси?

Вертикальная ветровая турбина осей — это ветровой преобразователь энергии, в котором основной вал ротора ориентирован вертикально, перпендикулярно земле. Эта конфигурация означает, что вращающиеся лопасти проносятся вертикальной плоскостью, а генератор, коробка передач и другие компоненты привода могут располагаться на уровне земли или у основания конструкции, а не в гондоле на вершине башни. Вертикальная компоновка устраняет необходимость в механизме рыскания для ориентации турбины на ветер, поскольку ротор одинаково реагирует на ветер, идущий с любого направления компаса.

Самые ранние известные ветряные турбины, такие как персидские ветряные мельницы 9-го века, были машинами вертикальной оси, используемыми для измельчения зерна. В современную эпоху исследования VAWT ускорились в 1970-х и 1980-х годах в рамках более широкого исследования возобновляемых источников энергии. В то время как турбины горизонтальной оси в конечном итоге стали доминировать на рынке коммунальных услуг из-за более высокой эффективности и более низкой стоимости за мегаватт, VAWT продолжали развиваться, находя специализированные ниши, где их уникальные характеристики обеспечивают явные преимущества.

Ключевые вариации дизайна

Современные VAWT делятся на две основные категории, основанные на аэродинамическом принципе, который они используют для генерации крутящего момента:

  • Туннёры Дарриуса:] Названные в честь французского изобретателя Жоржа Дарриуса, эти турбины используют подъёмные силы, создаваемые лопастями в форме аэродинамической фольги. Классическая конструкция Дарриуса напоминает яйцебетер или изогнутый обруч, но варианты включают прямолопастные конструкции H-ротора (также называемые Giromills) и спирально-лопастные конфигурации, которые уменьшают крутящий момент пульса.Турбины Дарриуса обычно достигают более высоких скоростей вращения и эффективности, но они требуют внешнего пускового механизма, потому что они не запускаются сами по себе при любых условиях.
  • Савониусные турбины:] Это устройства на основе сопротивления, обычно построенные из двух или трех скапов, расположенных в S-образной форме. Турбины Савониуса производят высокий стартовый крутящий момент, хорошо работают при низких скоростях ветра и механически просты и надежны. Их эффективность ниже, чем у конструкций Дарриуса, но они превосходят турбулентные, переменные условия ветра и часто используются в сочетании с роторами Дарриуса в гибридных конфигурациях.
  • Гибридные и новые конструкции: Многие современные производители объединяют элементы конструкций как подъема, так и сопротивления или включают такие функции, как спиральные лопасти, переменная высота тона или оболочка, для повышения производительности, снижения шума или повышения структурной целостности. Некоторые конструкции используют спиральный поворот для плавной выходной мощности и снижения циклической нагрузки, которая может вызвать усталость в прямолопастных роторах.

Чем VAWT отличаются от турбин горизонтальной оси

Основное различие между VAWT и более распространенными ветровыми турбинами горизонтальной оси (HAWT) заключается в ориентации оси ротора. Это, казалось бы, простое различие каскадов в ряде эксплуатационных и практических различий:

  • Приемка ветра: HAWT должны рыскать, чтобы смотреть в сторону ветра; VAWT принимают ветер с любого направления без регулировки.В городских условиях, где направление ветра быстро меняется из-за строительных будок и эффектов ченнелинга, это устраняет потери энергии и механический износ, связанный с частыми коррекциями рыскания.
  • Компонентное размещение: HAWT размещают генератор, коробку передач и другие тяжелые компоненты в гондоле в верхней части башни, требуя доступа к крану для обслуживания. VAWT могут размещать эти компоненты на уровне земли, упрощая установку, осмотр и ремонт.
  • Структурная нагрузка: HAWT испытывают вызванную гравитацией циклическую нагрузку на лопасти, когда они вращаются через вертикальную плоскость, что способствует усталости. VAWT лопасти, вращающиеся в горизонтальной плоскости, не испытывают эту гравитационную цикличность таким же образом, хотя они сталкиваются с периодической аэродинамической нагрузкой, поскольку каждая лопасть проходит через различные условия ветра во время вращения.
  • Шумовой профиль: ВАВТы обычно работают при более низких скоростях наконечника, чем HAWT, что означает, что кончики лопастей движутся медленнее по воздуху. Это снижает аэродинамический шум от турбулентности задней кромки и вихревой сбрасывания. Кроме того, отсутствие коробки передач во многих конструкциях с прямым приводом VAWT устраняет механические источники шума.
  • Визуальное воздействие: ВАВТы часто короче и компактнее HAWT эквивалентной мощности. Их вертикальная форма может восприниматься как менее навязчивая, а некоторые архитектурные проекты интегрируют их в фасады зданий или конструктивные элементы.

Преимущества VAWT в городских условиях

Характеристики VAWT соответствуют нескольким специфическим требованиям городской среды, что делает их особенно привлекательными для распределенной генерации в городах.

Всенаправленный захват ветра

Городские ветровые модели, как известно, хаотичны. Здания создают турбулентность, ченнелинг и сдвиги направления, которые могут произойти в считанные секунды. Турбина, которая должна рыскать, чтобы отслеживать ветер, будет отставать от этих изменений, либо рыскать медленнее, чем сдвиги ветра, или нуждаться в рыскании быстро, потребляя энергию и увеличивая механический износ. VAWT принимают ветер с любого направления мгновенно, что означает, что они могут захватывать энергию из турбулентных, многонаправленных потоков, которые заставят HAWT отставать или постоянно циклировать свой механизм рыскания. Эта гибкость направления, возможно, является единственным наиболее важным преимуществом для городского развертывания, поскольку она позволяет VAWT преобразовывать энергию из ветровых ресурсов, которые в противном случае недоступны для обычных турбин.

Компактный и космический дизайн

Городская недвижимость дорогая, и доступное пространство для производства энергии часто ограничено крышами, балконами, краями зданий и небольшими неудачами. VAWT имеют меньшую площадь пройденной площади на единицу установленной мощности по сравнению с HAWT, а их вертикальная ориентация означает, что они занимают меньший наземный след. Многие VAWT могут быть установлены непосредственно на конструкциях крыши, не требуя обширных систем фундамента, типичных для турбин с башнями. Некоторые конструкции специально спроектированы для интеграции в строительные парапеты, стены или даже предсердия, эффективно используя само здание как часть опорной структуры турбины. Эта эффективность пространства позволяет генерировать ветер в местах, где обычная турбина просто не подходит.

Тихая операция

Шум является критической проблемой в жилых и смешанных городских районах. Шум ветряных турбин имеет два компонента: механический шум от трансмиссии (штурмовик, генератор, вентиляторы охлаждения) и аэродинамический шум от лопастей, движущихся по воздуху. VAWTs адреса обоих источников благоприятно. Поскольку генератор и коробка передач могут быть расположены на уровне земли и потенциально изолированы от структуры, механическая передача шума в занятые пространства уменьшается. Низкая скорость передачи шума в занятые пространства уменьшает аэродинамический шум, при этом многие конструкции VAWT производят уровни звука, сопоставимые с фоновым городским шумом. Савониус турбины, с их медленными скоростями вращения и перетаскивания, особенно тихие, что делает их пригодными для шумочувствительных сред, таких как больницы, школы и жилые кварталы.

Упрощенное техническое обслуживание

Доступность компонентов приводного поезда на уровне земли или вблизи него является значительным эксплуатационным преимуществом. Для HAWT каждая крупная эксплуатация требует крана или подъема на башню, которые являются дорогостоящими и несут риски безопасности. VAWT обслуживание часто может выполняться техническим специалистом, стоящим на крыше или у основания конструкции, с использованием стандартных инструментов и без тяжелого подъемного оборудования. Это снижает затраты на техническое обслуживание, сводит к минимуму время простоя и делает более практичным рутинный осмотр. Для городских установок, где доступ к кранам может быть затруднен из-за заторов на улице или ограничений доступа к зданию, эта доступность является решающим преимуществом.

Улучшение безопасности для дикой природы

Столкновения птиц и летучих мышей с лопастями ветряных турбин являются проблемой для любого проекта ветроэнергетики, особенно в городских и пригородных районах, где коридоры дикой природы могут пересекаться с развитыми зонами. HAWTs, с их большой пройденной областью и высокими скоростями наконечника, представляют риск столкновения, который был хорошо задокументирован. VAWTs, с их более низкой скоростью наконечника, меньшей пройденной областью и другой траекторией лопасти, может снизить скорость столкновения. Кроме того, более медленное вращение делает лопасти более заметными для птиц, и вертикальная ориентация создает меньше риска баротравмы для летучих мышей. В то время как необходимы дополнительные исследования для количественной оценки этих преимуществ, ранние исследования показывают, что VAWT могут сосуществовать более гармонично с городской дикой природой.

Проблемы и соображения по развертыванию городского VAWT

Несмотря на свои преимущества, ВАВТ не являются универсальным решением для городской ветроэнергетики.Для реализации их потенциала необходимо решить ряд технических, экономических и практических задач.

Турбулентность и ветровые модели в городах

Та же турбулентная ветровая среда, с которой VAWT работают более изящно, чем HAWT, также налагает штрафы. Турбулентность снижает эффективность любой ветровой турбины, поскольку она заставляет турбину работать от ее оптимального соотношения скорости наконечника чаще. Для VAWT циклическая аэродинамическая нагрузка, вызванная каждым лопастью, проходящим через различные ветровые условия, поскольку она вращается, может привести к структурной усталости, особенно в конструкциях с прямыми лопастями Darrieus. Турбулентность, вызванная строительством, также снижает среднюю скорость ветра, доступную на высоте крыши по сравнению со скоростью ветра свободного потока на той же высоте. Оценка ветра с использованием вычислительной динамики текучей среды (CFD) или физической анемометрии необходима для определения того, имеет ли данное местоположение достаточный ресурс ветра для оправдания установки VAWT. Многие городские сайты просто не имеют достаточного количества ветра, чтобы сделать генерацию экономически жизнеспособной, независимо от типа турбины.

Энергоэффективность и выход энергии

VAWT обычно имеют более низкий коэффициент мощности (доля кинетической энергии ветра, преобразованной в механическую энергию), чем HAWT эквивалентного размера. Максимальная теоретическая эффективность любой ветряной турбины - предел Бетца 59,3%. Современные VAWT достигают практической эффективности 40-50%, в то время как VAWT обычно достигают 30-40%, при этом конструкции Savonius на нижнем конце этого диапазона. Для данной пройденной площади и скорости ветра VAWT будет производить меньше энергии, чем HAWT. В городских условиях, где доступное пространство ограничено, эта более низкая эффективность означает, что выход энергии на квадратный метр площади крыши или на единицу структурной нагрузки может быть ниже, чем другие возобновляемые технологии, такие как солнечная фотоэлектрическая энергия. Однако, поскольку VAWT могут захватывать энергию от многонаправленных ветров, которые HAWT не может использовать, сравнение не всегда просто. В некоторых турбулентных городских участках VAWT может производить больше полезной энергии в течение года, чем HAWT аналогичного рейтинга, потому что он работает более непрерывно.

Структурные и монтажные ограничения

Включение VAWT в здание вводит структурные нагрузки, которые здание должно вместить. Они включают статические нагрузки (вес турбины и ее опорная конструкция), динамические нагрузки (вибрации и силы, передаваемые во время работы) и резонансные эффекты (если частота вращения турбины совпадает с естественной частотой здания). Вибрация, вызванная ветром, может передаваться через конструкцию, что потенциально вызывает дискомфорт для пассажиров или даже структурную усталость с течением времени. Для обеспечения безопасной интеграции необходим надлежащий инженерный анализ, включая динамическое моделирование и, возможно, меры по демпфированию конструкции. Владельцы зданий также должны учитывать ветровые нагрузки на саму турбину во время штормовых условий, которые могут быть существенными и могут потребовать от турбины иметь тормозную или фурнировочную систему для защиты ее при сильных ветрах.

Экономические факторы и периоды окупаемости

Экономика городских установок VAWT является сложной. Стоимость за киловатт установленной мощности для VAWT обычно выше, чем для HAWT аналогичного рейтинга, отчасти потому, что производство VAWT не извлекло выгоду из той же экономии масштаба. Расходы на техническое обслуживание могут быть ниже, но доход от производства электроэнергии также ниже из-за меньшего масштаба и более низких факторов мощности, типичных для городского ветра. В большинстве городских условий уравновешенная стоимость электроэнергии (LCOE) от VAWT значительно выше, чем розничная цена на электроэнергию в сети, что означает, что установка не окупит свои капитальные затраты в течение своего срока службы без субсидий или стимулов. Однако в местах с благоприятными ветровыми ресурсами, хорошими тарифами на питание или где производство на месте вытесняет дорогостоящую розничную электроэнергию (например, в коммерческих зданиях с высокими сборами за спрос), экономика может быть более благоприятной. Ценность устойчивости на месте и сокращение выбросов углерода также играет роль для организаций с обязательствами по устойчивости, даже если финансовая окупаемость дольше, чем потребуют рыночные инвестиции.

Регулирующие и разрешающие препятствия

Городские ветровые турбины сталкиваются со сложным нормативным ландшафтом. Строительные кодексы могут не иметь конкретных положений для ветровых турбин, требующих от разработчиков проектов работать через процессы дисперсии или полагаться на инженерные суждения, которые могут быть трудоемкими и дорогостоящими. Правила зонирования могут ограничивать высоту конструкций, устанавливать требования или ограничивать визуальное воздействие оборудования возобновляемых источников энергии. Пределы шума, неудачи в области безопасности и опасения по поводу проливания льда в холодном климате - все это фактор, позволяющий принимать решения. Исторические районы, ассоциации районов и пути подхода к аэропорту могут налагать дополнительные ограничения. Навигация по этим нормативным требованиям требует опыта и терпения, и многие перспективные городские ветровые проекты были отложены или заброшены из-за проблем с разрешением.

Реальные приложения и тематические исследования

Несмотря на трудности, VAWT были развернуты в городских условиях по всему миру, предоставляя ценные данные и уроки для будущих установок.

Одним из примечательных примеров является развертывание винтовых турбин Darrieus на крыше Всемирного торгового центра Бахрейна, который был одной из первых крупномасштабных интеграций ветряных турбин в коммерческое здание. В то время как этот проект использовал турбины с горизонтальной осью, он продемонстрировал осуществимость строительства интегрированного ветра. Совсем недавно установки VAWT появились на жилых башнях в Европе, на столбах уличного освещения в Японии и на промышленных зданиях в Северной Америке. Город Глазго, Шотландия, пилотировал сеть небольших VAWT, установленных на общественных зданиях в рамках своей районной энергетической стратегии.

Особенно интересным вариантом использования является интеграция VAWT с солнечными фотоэлектрическими системами на одной крыше. Дополнительные профили генерации солнечной энергии (пик в дневное время, летом) и ветра (часто пик в ночное время и зимой) могут сглаживать кривую совокупной генерации, уменьшая потребность в хранении аккумуляторов при увеличении доли нагрузки на месте, которая удовлетворяется возобновляемой генерацией. Несколько производителей теперь предлагают интегрированные системы солнечного ветра, предназначенные для плоских крыш, с VAWT, установленными на структурных рамах вместе с солнечными батареями.

Еще одним новым приложением является использование VAWT для автономных телекоммуникационных вышек, станций удаленного мониторинга и систем аварийной электропитания.В этих приложениях надежность захвата ветра с любого направления в сочетании с возможностью работы на низких скоростях ветра может быть важнее пиковой эффективности.Турбины могут быть развернуты в местах, где подключение к сети нецелесообразно или непомерно дорого, а их низкие требования к обслуживанию делают их пригодными для беспилотных установок.

Внешний ресурс: Управление технологий ветроэнергетики Министерства энергетики США предоставляет полезный обзор технологий распределенного ветра, включая VAWT, по адресу energy.gov/eere/wind/distributed-wind.

Будущее городской ветроэнергетики с VAWT

Траектория VAWT в городской среде формируется в результате текущих исследований, технологических инноваций и развивающихся политических рамок.

Технологические инновации

Достижения материаловедения, включая использование композитов из углеродного волокна и легких сплавов, снижают вес и стоимость лопастей VAWT при одновременном повышении их утомляемости. Исследуется аддитивное производство (3D-печать) для получения сложных геометрий лопастей, которые оптимизируют аэродинамические характеристики для конкретных режимов ветра. Механизмы лопастей с переменным углом наклона, которые регулируют угол атаки лопастей во время вращения, становятся более надежными и доступными, позволяя VAWT эффективно работать в более широком диапазоне скоростей ветра при одновременном снижении нагрузок при высоких ветрах. Генераторы постоянного магнита с прямым приводом полностью устраняют коробку передач, снижая техническое обслуживание и повышая надежность. Некоторые конструкции включают в себя плащи или диффузоры, которые ускоряют ветер, приближающийся к ротору, эффективно повышая эффективность пройденной площади и позволяя турбине работать при более низких скоростях ветра.

Внешний ресурс: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) опубликовала исследование по аэродинамическому моделированию и оптимизации VAWT, доступное по адресу nrel.gov/wind.

Интеграция с интеллектуальными сетями и строительными системами

По мере того, как здания становятся умнее и более подключенными, VAWT могут быть интегрированы в системы управления энергией зданий (BEMS), которые оптимизируют генерацию, хранение и потребление в режиме реального времени. Вауту на крыше в сочетании с солнечными батареями, аккумулятором и зарядной станцией EV могут работать как микросети, обеспечивая питание во время отключений сети, снижая затраты на электроэнергию и поддерживая сетевые услуги. Прогнозируемость ветровой генерации, хотя и переменная, может быть предсказана с большей точностью с использованием моделей машинного обучения, обученных на местных метеорологических данных и истории производительности турбин. Эти инструменты прогнозирования позволяют строительным операторам планировать энергоемкие операции в периоды высокой генерации, улучшая экономическую отдачу от инвестиций в турбину.

Поддержка политики и городское планирование

Муниципальная и национальная политика могут существенно повлиять на принятие городской ветроэнергетики. Тарифы на питание, налоговые льготы и гранты для распределенных систем возобновляемой энергии могут улучшить экономику установок VAWT. Оптимизированные процессы выдачи разрешений, модельные коды зонирования, которые явно касаются ветровых турбин, и обновления строительного кодекса, которые включают положения о ветрогенерации, могут снизить мягкие затраты на разработку проектов. Некоторые города, включая Лондон, Токио и Сан-Франциско, включили ветровую энергию в свои планы действий по климату и разрабатывают конкретные программы для поддержки развертывания городского ветра. По мере усиления давления по декарбонизации построенной окружающей среды, политическая поддержка городского ветра, вероятно, будет расти.

Внешний ресурс: Партнерство Агентства США по охране окружающей среды в области зеленой энергетики предоставляет руководство по закупкам возобновляемых источников энергии, включая распределенный ветер, на epa.gov/greenpower.

Заключение

Вертикальные ветряные турбины Axis предлагают уникальный набор возможностей, которые согласуются с ограничениями и возможностями городской среды. Их всенаправленный захват ветра, компактный след, тихая работа и доступное техническое обслуживание делают их жизнеспособным вариантом для локальной возобновляемой генерации в городах, где обычные турбины с горизонтальной осью не могут быть использованы. Однако более низкая эффективность, более высокая стоимость за киловатт, проблемы структурной интеграции и нормативные барьеры означают, что VAWT не являются простым решением для подключения и воспроизведения. Каждая потенциальная установка требует тщательной оценки площадки, экономического анализа и инженерного проектирования, чтобы определить, перевешивают ли выгоды затраты.

Для градостроителей, владельцев зданий и специалистов по устойчивому развитию VAWT заслуживают рассмотрения как часть диверсифицированного портфеля возобновляемых источников энергии, который включает в себя меры по солнечной энергии, хранению и энергоэффективности. По мере того, как технология продолжает развиваться и политическая среда становится более благоприятной, VAWT, вероятно, будут играть все более важную роль в децентрализованных, устойчивых и низкоуглеродных энергетических системах будущих городов. Ветер в наших городах является ресурсом, который не следует оставлять неиспользованным, а VAWT обеспечивают путь к его захвату. Для тех, кто оценивает городские ветровые решения, глубокое понимание сильных сторон и ограничений технологии является основой для обоснованных решений, которые будут выплачивать дивиденды как в экономии энергии, так и в воздействии на окружающую среду на десятилетия вперед.

Внешний ресурс: Всемирная ассоциация ветроэнергетики публикует рыночную статистику и отчеты о малом ветре и городском ветре на wwindea.org.