Перспективы ветроэнергетики в современном строительстве
Иван ЖигуленкоВ 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.
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 |
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. |
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 |
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 %).
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. |
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). ●