Чтобы получить от ветрогенератора максимальную отдачу следует проанализировать особенности установок разного типа, их основные плюсы и минусы, условия эксплуатации, возможное негативное воздействие. После этого уже можно переходить к выбору конкретной модели.
БУДЕТ ЛИ РАБОТАТЬ ВЕТРОГЕНЕРАТОР? – ОПРЕДЕЛЯЕМ СКОРОСТЬ ВЕТРА для МЕСТНОСТИ
Наклон земной оси и разнообразие форм ландшафта приводят к отличию скорости ветра в разных регионах. А для ветрогенератора именно этот параметр является главнейшей эксплуатационной характеристикой, которая определяет возможность его использования для получения электроэнергии. Поэтому выбор ВЭУ начинается с нахождения значения среднегодовой скорости ветра для данной местности.
Используется для этого карта ветров или ветроэнергетический кадастр. Приводимые в них числа указаны для расстояния от поверхности в 10 метров. Чтобы попасть в зону более сильных ветров и избежать влияния турбулентности, ВЭУ нередко устанавливают на иной высоте.
Для чувствительных к завихрениям горизонтально-осевых установок нижний край ветроколеса должен быть минимум на 2 метра выше ближайшего препятствия. Вертикально-осевые ветрогенераторы могут работать при турбулентностях потоков воздуха и располагаться на небольшой высоте. Перерасчет скорости ветра производится согласно формуле:
| vh = vo(h/ho)k | где vo – известная справочная скорость ветра на высоте ho = 10 м; h – высота реального расположения агрегата; показатель степени k – это эмпирический уровень шероховатости подстилающей поверхности. |
Структура ландшафта, то есть подстилающая поверхность, способна оказывать значительное влияние на движение воздушного потока и, соответственно, на работу ВЭУ. Деревья, высокие ограды, нагромождения камней, постройки и т.д. вызывают возникновение турбулентности и завихрений, которые приводят к потерям мощности потока.
Максимальная выработка электроэнергии достигается при близком к ламинарному ровном течении над гладкой поверхностью, примером которой может служить водная гладь. На практике для расчета можно использовать значения k, полученные в проектно-конструкторском технологическом бюро «Конкорд»:
| Значение k | Структура ландшафта |
| 0.440 | Крупные города и мегаполисы с высотными строениями. |
| 0.405 | Большие города с кварталами высоких построек. |
| 0.370 | Небольшие города; поселки городского типа; села; сельскохозяйственные угодья с высокими оградами и/или отдельно стоящими постройками, лесопосадками и сильно пересеченной местностью. |
| 0.335 | Сельскохозяйственные угодья с расположенными на них группами строений и имеющие ограждения высотой 8 метров на удалении от 250 метров. |
| 0.300 | Сельскохозяйственные угодья с расположенными на них отдельными постройками и имеющие ограждения высотой 8 метров на удалении от 500 метров. |
| 0.275 | Сельскохозяйственные угодья с расположенными на них отдельными постройками и имеющие ограждения высотой 8 метров на удалении от 1250 метров. |
| 0.245 | Открытое пространство сельскохозяйственных угодий с одиночно располагаемыми строениями. |
| 0.120 | Ландшафт с полностью открытым пространством и мягкой поверхностью наподобие скошенной травы, взлетно-посадочной полосы и т.п. |
| 0.000 | Поверхность воды |
НЕГАТИВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ при РАБОТЕ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ
При всех неоспоримых достоинствах при работе ВЭУ обоих типов также имеют место определенные негативные явления – они становятся источниками аэродинамических и механических шумов. Первые возникают в результате движения в воздушном потоке лопастей ротора и проявляется в виде генерации ультра- и инфразвука. Возникает это явление по причине срыва потока с лопастей.
Поскольку у быстро вращающихся лопастей толщина неравномерна по длине, то интенсивность аэродинамических шумов выше, чем у вертикально осевых ВЭУ. Однако в современных установках за счет подбора профиля лопастей эта проблема практически решена и на расстоянии 200 метров инфразвук уже ниже порога восприятия человеком.
Поглощению механических шумов мощных горизонтально-осевых установок уделяется особое внимание. А вот для маломощных агрегатов этот вопрос не на повестке дня. К тому же для упрощения конструкции у них ориентация ветроколеса зачастую осуществляется поворотом за счет давления воздушного потока на флюгер-хвост, что приводит к возникновению завихрений. В результате они создают больше шума при работе.
За рубежом публикациями о генерации ветропарками вредного для здоровья людей инфразвука, механических шумов и вибраций перестали пугать аудиторию еще в средине 80-х годов ХХ столетия. Но в странах СНГ противники ветроэнергетики все еще продолжают рассказывать о том, что из-за этих эффектов территорию ветроэлектростанций покидают мелкие грызуны, насекомые, а затем иная живность и она становится почти безжизненной.
У вертикально-осевых ВЭУ толщина лопастей постоянна и вращаются они медленнее, а возникающие ультра- и инфразвуковые колебания распространяются вниз и вверх вдоль оси вращения ротора. В результате при работе подобных агрегатов и так невысокая интенсивность аэродинамических шумов практически неощутима. А ротор Н-Дарье славен отсутствием инфразвука. Механический фон от большинства таких установок также не особо слышен. Однако геликоидный ротор шумит довольно сильно, причем лопастями, а не подвижными частями механизмов.
Сильное беспокойство у защитников окружающей среды вызывает гибель птиц и летучих мышей. Так согласно опубликованным в Wildlife Society Bulletine исследованиям, только в 2012 году ветрогенераторы убили 573 тыс. птиц и 888 тыс. летучих мышей. ВЭУ даже стали называть «птичьими блендерами».
Однако как выяснилось позже, основной причиной столь массовой гибели стало размещение ветропарков на путях миграции или вблизи мест гнездования птиц и возле пещер, в которых зимуют летучие мыши. В других регионах число умерших от столкновений с ВЭУ птиц не столь катастрофично. По оценкам за год только охотники отстреливают до 100 млн. пернатых, около 65 млн. убивают применяемые человеком пестициды и приблизительно 1 млрд. находят свою смерть в лапах домашних кошек.
СРАВНЕНИЕ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ РАЗНОГО ТИПА
| Горизонтально-осевые | Вертикально-осевые |
| Эффективно работают при скорости ветра 8-12 м/с. | Можно вполне успешно использовать при ветре 3-5 м/с (большая часть территории Европы, Беларуси, Украины, России). |
| Ограничение рабочего диапазона максимальной/буревой скоростью при сильных порывах ветра. | Значение буревой скорости гораздо выше – могут работать при урагане или песчаной буре (до 60 м/с). |
| Наиболее эффективно используют энергию ветра. | При малых мощностях (до значений порядка 10 кВт) соизмеримы по эффективности с горизонтально-осевыми. |
| Стартовая скорость ветра 3-6 м/с (ведущими производителями разработаны ВЭУ, для которых 2-3 м/с). | Самозапуск при слабом ветре. У большинства роторов Дарье ненадежный самозапуск (часто их дополняют ротором Савониуса). |
| Требуется поворот перпендикулярно направлению потока воздуха. Система ориентации часто выходит из строя. | Генерируют электроэнергию при любом направлении ветра. Не требуется системы ориентации. |
| У современных моделей генерируемые при работе аэродинамические шумы ослаблены до низкого уровня. | Интенсивность ультра- и инфразвука невысока и нет их распространения в стороны от установки (только вверх и вниз). |
| Установки конструктивно сложнее, очень требовательны к динамической устойчивости, балансировке, расчету прочности. | ВЭУ конструктивно проще и устойчивее. Ротор жестко закреплен на опоре, что исключает возникновение автоколебаний и снижает вибрацию. Могут устанавливаться на крышах зданий, мостах, маяках, кораблях. |
| Занимают больше площади, на которую ограничивается доступ людей. | Существенно компактнее. Мощность можно наращивать за счет дополнительных ярусов, которые не увеличивают занимаемую площадь. |
Несмотря на целый ряд явных преимуществ ВЭУ вертикально-осевого типа, встречаются они заметно реже. Обусловлено это тем, что до недавнего времени основные усилия были направлены на наращивание мощности генераторов. К тому же для проектирования горизонтально-осевых установок использовались уже существующие теоретические наработки и опыт проектирования авиационной техники.
Маломощные кВт класса ветрогенераторы для автономного электроснабжения стали активно устанавливаться относительно недавно. Но востребованность в них постоянно растет, что стимулирует разработчиков усовершенствовать вертикально-осевые модели. Пока же их стоимость остается ощутимо завышенной.
