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.

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%.

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/ρ= ρ ((F•v3)/2),де ρ – 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 лопаті10 мза швидкості вітру 10 м/с у найкращому випадку може мати потужність на валу 85 кВт.

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

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.)

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.

Класифікація вітроустановок

Клас установки Потужність, кВт Діаметр колеса, м Кількість лопатей Призначення
Малої потужності 15-50 3-10 3-2 Зарядження акумуляторів, 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.

Різновидом вітроустановок з вертикальною віссю є так звана вітрова гребля, де сконцентрований повітряний потік спрямовується на установку за допомогою напрямлювачів у вигляді лісосмуг, штучних перегородок у вигляді панелей, надувних конструкцій, солом’яних блоків тощо. Схему вітрової греблі наведено на рис.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вітрова гребля