Перспективы ветроэнергетики в современном строительстве

В европейских странах, в частности Дании, генерация электроэнергии за счёт использования силы ветра составляет значительную и постоянно растущую долю в общей выработке энергии для зданий различного назначения. Подобное энергообеспечение городов и сёл распространено в Германии, Норвегии, Финляндии, США, а также активно внедряется в странах Востока, например Индии и Китае. Имеется некоторый опыт и в России. Правда, развивается ветроэнергетика в основном на базе пропеллерных ветряных электростанций (ВЭС), которые работают по схеме центробежного снабжения (кстати, вся система энергоснабжения в мире – центробежной схемы).

Данные электростанции могут быть удалены от потребителя энергии на значительное расстояние. Такие ВЭС, по нашему мнению, технически и морально устарели, а также представляют опасность для экологии.

Сферы применения

Ныне существуют отечественные энергоэффективные технологии, которые позволяют практически повсеместно использовать энергию воздушного потока даже с низким энергопотенциалом (отсутствие ветра), вплоть до утилизации тёплого потока внутри здания. Комбинированное применение установок, работающих на различных источниках возобновляемой энергии, по схеме центростремительного энергосамообеспечения потребителя может изменить экономику городов и сёл.

Наши ветряки можно устанавливать в «декоративных излишествах», на технических этажах или выносных стелах зданий и т. п. Например, в боковых пилонах здания могут располагаться не только лифты, лестничные пролёты и другие технические помещения, но и энергетические установки, особенно в той части, которая выходит за пределы высоты здания.

Beddington Zero Energy Development (BedZED) – экокомплекс в Лондоне (Великобритания)

Эффективно комплексное использование различных ВИЭ. Так в подвалах разумно размещать гидро- электроустановки нового типа, утилизирующие энергию сточных вод, которые могут стать основным источником энергообеспечения здания, а ветроустановки и солнечные элементы использовать как вспомогательную генерацию. Если здание уже построено и собственники не желают изменять его облик и контуры для встраивания ветро- и гелиоустановок, можно возвести отдельно стоящую энергетическую стелу с набором энергогенерирующих устройств, причём способную обеспечить энергией не одно здание, а их группу или даже целый район.

Примером комплексного использования ВИЭ может стать проект энергообеспечения агротехнопарка (Лотошинский район Московской области), в котором предложены турбины с горизонтальными лопастями на крышах зданий с поддувом воздуха от вентиляции. Кроме того, предусмотрено использование сточных вод для выработки тепловой и электрической энергии. Подобные поселения с энергосамообеспечением могут быть массово внедрены на любой территории, даже с некачественными землями и сложными климатическими условиями.

Проект энергообеспечения агротехнопарка

Центростремительное энергоснабжение зданий

Развивать энергоснабжение зданий предпочтительно по схеме центростремительного самообеспечения, т. е. совместить потребителя и источник генерации энергии в одну систему. Такая схема позволит сократить до минимума необходимость в линиях электропередач и крупных подстанциях, а мегаполисы и другие населенные пункты освободит от паутины проводов.

В российских городах всё чаще применяют энергосберегающие программы и внедряют новые энергоэффективные технологии. В строительном комплексе максимальная энергоэффективность – это самообеспечение дома или целого района электроэнергией на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). При этом вырабатывающие энергию установки должны размещаться в пределах здания, группы зданий или не далее территории района. Максимальный эффект можно получить лишь от комплексного использования различных технологий, работающих за счёт преобразования    возобновляемой энергии: ветро-, гелио- и гидроустановок, тепловых насосов и т. п. Рассмотрим инновационные решения, источником энергии которых является ветер – движение воздуха.

Торговый комплекс высотой 240 м построен строительной фирмой Atkins в 2008 году. Архитектурный проект прошёл проверку на соответствие экологическим стандартам. Торговый центр состоит из двойных башен, которые соединены между собой тремя воздушными мостами. На каждом таком мосту установлен ветрогенератор (суммарная мощность – 675 кВт). Диаметр каждой турбины составляет 29 м. Ориентированы турбины на  север, так как именно оттуда, со стороны Персидского залива, ветер дует наибольшее  количество дней в году.  Башни по форме напоминают корабли, а между ними образуется своего рода туннель, через который проходит воздушный S‑образный поток, ускоряется и направляется в турбины. Любой ветер, который дует под углом в 45° к центральной оси, создаёт ветровой поток перпендикулярный к турбинам, что увеличивает их потенциал по выработке электроэнергии. Ветровые турбины рассчитаны на производство от 11 до 15 % энергии, необходимой башням (1,1–1,3 ГВт·ч/год). Количества вырабатываемой при этом энергии хватило бы для 300 домов в течение одного года. Турбины рассчитаны на ежедневное использование до 50 % от всего рабочего времени.

Роторные ветрогенераторы

На территориях, расположенных в глубине материка, направление ветра непостоянно, особенно в городах, поэтому можно говорить только   о преимущественном сезонном направлении ветра. Кроме того, в зависимости от удалённости от поверхности земли ветер ведёт себя по-разному, например, для высот до 50 м характерны так называемые рыскающие потоки, особенно в городах среди высотных зданий.

Однако эти проблемы решаются применением ветряков виндроторного типа – низкоскоростных малых агрегатов с вертикальными осями вращения. Виндроторные турбины (и им подобные) используют ветер любого направления, невзирая на скорость и завихрения, не отключаются при высоких скоростях ветра, но требуют специального торможения или системы закрытия притока воздуха. Эти турбины производят энергию при широчайшем спектре скоростей, без стабилизации установки. Например, наиболее известный классический тип – турбина Савониуса, самостартующая при слабом ветре. Такие агрегаты начинают производить энергию при скорости ветра от 2 м/с, что позволяет скорее говорить об использовании энергии воздуха, чем ветра.

Небоскрёб Tower SE1 в Лондоне (Великобритания) высотой 147 м (42 этажа) обошёлся  заказчикам в 113 млн фунтов стерлингов. Это одно из самых высоких жилых зданий в британской столице. Строительство здания, где расположены квартиры, магазины, фитнес-клуб и парковка, окончено в 2010 году. На крыше башни встроены три ветряные турбины по 9 м высотой, работа которых покрывает 8 % внутренних энергозатрат. Встроенные турбины здания имеют пять, а не три, как это бывает обычно, лопастей, что позволяет значительно снизить уровень шума и вибрации. Ветрогенераторы рассчитаны на 19 кВт. Аэродинамика конструкции спланирована таким образом, чтобы ветер вращал турбины с максимальной эффективностью в течение всего года. Для экономии энергии в здании Strata Tower используется естественная вентиляция и окна с улучшенной изоляцией.

Они масштабируемы до больших мощностей и надёжно служат в течение десятков лет, поскольку имеют минимум движущихся частей, при этом простых и легкозаменяемых. Очень важно, что подобные энергосистемы легко и гармонично вписываются в архитектуру зданий, технических сооружений и в целом в архитектуру города или посёлка.

Среднегодовые скорости воздушных потоков в России составляют около 4,5 м/с, а на высоте более 100 м – превышают 7 м/с. Если использовать естественную возвышенность или здание высотой более 50–100 м, устанавливать эффективные ветроагрегаты, в основном виндроторного типа, можно практически на половине территории страны.

Как вариант, возможно обеспечение зданий энергетическими стелами, включающими в себя ветротурбины виндроторного типа, с горизонтальной осью вращения, которые прикрывают направляющие жалюзи. В солнечных регионах для нагрева технической воды и выработки дополнительного электричества южные боковины стел и некоторые части здания могут быть дополнительно снабжены солнечными панелями (см., например, панели, которые разработал академик Д. С. Стребков, и выпускает ВИЭСХ с КПД 20–22 %).

Настенные ветряные микроустановки

Зарубежная инновационная идея использования энергии ветра – применение микроветряков, размещаемых на стенах зданий. Правда, схема требует большого количества установок, что вызывает необходимость их декорирования на фасаде. Сама установка системы предельно проста: каждый модуль ветрогенератора крепится к стене здания тремя шурупами или анкерными болтами. Одновременно с этим все ветрогенераторы соединяются в единую систему, а щелчок единственного выключателя активизирует всю систему, но для работы этой схемы требуется особая архитектура здания.

Промышленные дизайнеры Ляо-Синь Чен и Вэнь-Чи Чан разработали систему ветряных генераторов под названием Wind Cube.  Конструкция состоит из лопастей, генератора, телескопического вала, электрического разъёма питания и выключателя. Дизайнеры считают, что каждый Wind Cube способен  генерировать 21,6 кВт электроэнергии, а 15 таких систем смогут произвести достаточно энергии для обеспечения ею семьи из четырёх человек.  Генератор Wind Cube прикрепляется к внешней стене дома. Его конструкция схожа с пчелиными сотами. На случай особо сильных порывов ветра предусмотрена возможность складывания лопастей генератора, что повышает его надёжность. Самый оптимальный вариант для использования такого генератора – верхние этажи угловых домов, т. к. ветряные потоки здесь имеют наиболее высокие показатели.

В зависимости от силы ветра и уровня потребления электроэнергии некоторые ветрогенераторы можно по команде системы управления убирать в специальные углубления до момента, когда снова потребуется их работа. Недостатки те же, что и у любого пропеллерного ветряка: электричество будет до тех пор, пока есть необходимой силы ветер и именно с нужной стороны фасада. Другими словами, возникают многочисленные технические и технологические сложности, а энергии на выходе получается минимальное количество.

 Материал подготовлен под руководством А. Л. Яковенко, который возглавляет «МТК-iзобретатель», а также при участии студентов Московского физико-технического института (МФТИ) и Московского государственного университета природообустройства (МГУП). ●