Выработка ветроэнергии на дому – это более чем возможно!

Чтобы «далеко не ходить», электричество можно генерировать прямо на дому. А именно – установив одну или несколько ветроэнергетических установок над зданием. Для подобной «зеленой» цели целесообразно использовать не мощные ветряки, вблизи не очень полезные для всего живого, а вполне дружественные ему ветроустановки малой мощности. К таковым принято относить ветряки мощностью не более 100 кВт.

По статистическим данным Всемирной ветроэнергетической ассоциации (WWEA), к концу 2010 г. установленные ветроэнергетические мощности Земли в целом составили около 196,6 ГВт. Что почти на четверть больше, чем было годом раньше. А за первую половину 2011 г. на планете появилось 18,4 ГВт новых ветроэнергетических мощностей (в целом за 2011 г. ожидается 43,9 ГВт). По сравнению с аналогичным полугодием  предыдущего года прибавка мощностей составляет 22,9%. Следовательно, в середине 2011 г. ветроэнергетические мощности мира равны 215,0 ГВт. Существенный рост отмечается и в сфере малой ветроэнергетики.

Ведущий мировой рынок маломощных ветроэнергетических установок (по-английски – small wind turbine, сокращенно – SWT) – это Соединенные Штаты Америки. В начале 2010 г. здесь насчитывалось примерно 110 тыс. таких установок мощностью от 90 Вт до 100 кВт каждая. А соответствующая общая установленная мощность оказалась свыше 100 МВт. Казалось бы, немного. Однако вспомним, сколько на заре прошлого века по тем же Штатам колесило автомобилей и какие они были…

Европейский лидер в сфере малой ветроэнергетики - Великобритания. По статистическим данным ведущей британской специализированной ассоциации в области возобновляемой энергии RenewableUK (бывшая Британская ассоциация ветроэнергетики – BWEA), в 2010 г. компании Соединенного Королевства смонтировали 2853 ветроустановки, мощность каждой из которых не превышает 100 кВт (в 2009 г., до наступления последствий мирового финансового кризиса, смонтировали 3280). А с 2005 по 2010 г. британцы ввели в эксплуатацию около 17 тыс. малых ветроустановок. И – что примечательно – свыше 2,5 тыс. штук из них заняли свое место над зданиями. В той же ассоциации полагают, что к 2020 г. общая установленная мощность британской малой ветроэнергетики, в том числе ветрогенераторов над зданиями, может достигнуть 1,3 ГВт.

Активно развивается малая ветроэнергетика также в Китае, Индии и ряде других стран. Символично появление китайского вертикально-осевого ортогонального ветряка номинальной мощностью 3,0 кВт на крыше индийского павильона на всемирной выставке «Экспо-2010» в г. Шанхае, Китай (рисунок 1 – фото SAWT). А одной из первых сравнительно мощная «надомная» ветроэнергетическая установка украсила здание Технической школы в г. Эде, Нидерланды. Это машина с горизонтально-осевым ротором из нержавеющей стали со среднегодовой выработкой электроэнергии приблизительно 5,0 тыс. кВт×ч.

Как показывает мировая практика, в городской среде (над зданиями и около них) эффективнее горизонтально-осевых функционируют вертикально-осевые модели ветряков. В Соединенном Королевстве и за его пределами увеличивается количество смонтированных над зданиями и на земле ветрогенераторов марки qr5 (рисунок 2 – фото RWE Innogy) производства компании Quiet Revolution с главным офисом в г. Лондоне и производством в Уэльсе. На сегодня ветряки этой марки лучшие в мире для применения в условиях городской застройки. Аббревиатура qr – это начальные буквы словосочетания Quiet Revolution. Вариантов его перевода много, но, на взгляд авторов, наиболее подходящие такие – «тихая революция» и «бесшумное вращение».  

Основные характеристики qr5: вертикально-осевая ветроэнергетическая установка с тремя лопастями геликоидной формы; высота ротора 5,0 м; диаметр ротора 3,1 м; рабочая скорость ветра 4,5–19,0 м/с (с регулированием мощности свыше 14,0 м/с); скорость вращения ротора 100–260 об/мин; пиковая мощность (при скорости ветра 15,5 м/с) 8,2 кВт (аэродинамическая), 7,1 кВт (при выработке постоянного тока), 6,0 кВт (при поставке электроэнергии в сеть); стоимость ротора, мачты и управляющей электроники в Великобритании 20 тыс. фунтов стерлингов; срок службы 25 лет; расчетный объем годовой выработки электроэнергии при поставке в сеть до 7,5 тыс. кВт×ч.

В Беларуси скромные по масштабам страны работы, связанные с городской ветротехникой, ведутся с 1990-х гг. Первый в этом деле – канд. техн. наук Н.А. Лаврентьев, запатентовавший более двадцати технических решений в области ветроэнергетики. И, хотя особенных успехов во внедрении инновационной ветротехники этот специалист и его коллеги пока не достигли, их портфолио содержит немало полезного и интересного. Это помимо прочего изобретения, результаты экспериментов, архитектурно-дизайнерские концепции.

О некоторых конкретных вещах. В аэродинамической трубе кафедры ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» БНТУ протестированы разные модели ветророторов, в том числе вертикально-осевых с геликоидными лопастями. На полигоне в г. Заславле Минской области испытана горизонтально-осевая ветроустановка с геликоидными вихреобразователями номинальной мощностью 16 кВт. Указанные опыты подтвердили то, что геликоидные ветроустановки – одни из самых эффективных. Выполнена госбюджетная научно-исследовательская работа по комплексным (архитектура – строительство – энергетика – экология) решениям небольших зданий, оснащенных «надомной» ветротехникой [1]. Увидела свет книга, в которой рассказывается о ветроэнергоресурсах и условиях возведения ветроэнергетических установок в Беларуси, Латвии, Литве, Украине и Эстонии [2].

И, наконец, совсем недавно, в июле 2011 г., на плоской крыше здания ОАО «Техника связи» (ранее – предприятие «Лёс») в г. Барани (в именительном падеже Барань) Оршанского района Витебской области появился черновой опытный вариант вертикально-осевой ветротурбины с геликоидными желобчатыми лопастями (рисунок 3 – фото А.В. Кучерявого). Если ее доработать до надлежащего уровня качества и дополнить пространственным концентратором ветрового потока, то такая ветроустановка, возможно, будет иметь мощность до 2–3 кВт.

Любопытно сравнить рисунки 2, 3 и 4. На последнем (автор архитектурного решения О.А. Бизюк) – изображение показанной в 1999 г. в журнале «Архитектура и строительство» небольшой модели геликоидного ветроротора, изготовленного и испытанного Н.А. Лаврентьевым [3]. В данном случае отражен факт материального воплощения технического решения по патенту на изобретение, заявку на получение которого указанный автор и его коллега подали в 1998 г. [4]. Что касается британской ветроустановки qr5 (рисунок 2), то дата приоритета соответствующего запатентованного изобретения приходится на 2003 г. Вот так – первыми придумали в Беларуси, а быстрыми темпами наладили серийное производство в Великобритании. Кстати, на рисунке 2 – британский ветряк на крыше здания в г. Эссене, Германия.

На возможность расположения над зданиями трехлопастной геликоидной ветроустановки вертикально-осевого типа Н.А. Лаврентьев и первый из авторов настоящей статьи серьезно обратили внимание читателей в упомянутой выше журнальной публикации [3]. Прорабатывать же архитектурно-технические решения ветрозданий стали, естественно, и того раньше. А ветроздание (этот термин ввел второй из авторов настоящей статьи) – это, в общем смысле, такое здание, которое способно полностью или в значительной степени обеспечивать свои энергетические потребности за счет ветра и солнечной радиации.

Для ветрозданий предлагаются ветроустановки с пространственным концентратором ветрового потока [5]. Данный концентратор – первое важнейшее отличие белорусского геликоидного ветряка, существующего пока лишь в теории и небольших моделях, от ветряка qr5, растиражированного на практике в десятках экземпляров. Второе важнейшее отличие – желобчатые лопасти. Желоба улучшают парусность лопастей, усиливают вертикально ориентированный вихревой воздушный поток, создаваемый  ветроротором, и снижают риск появления опасных вибраций ветроустановки. Ветрогенератор с пространственным концентратором прочнее обычного и предназначен для работы при скорости ветра от 3,5 до 15 м/с.

Схема двухкаскадного геликоидного ветрогенератора с пространственным концентратором изображена на рисунке 5 [1]. На нем указаны следующие позиции: 1 – корпус здания, 2 – гелиотяговое устройство (это необязательный элемент), 3 – нижний ветроротор, 4 – крыша, 5 – воздухозаборник, 6 – приводной вал нижнего ветроротора, 7 – контрроторный электрогенератор, 8 – редуктор-мультипликатор, 9 – система автоматического управления, 10 – верхний пространственный концентратор, 11 – верхний ветроротор, 12 – приводной вал верхнего ветроротора, 13 – анеморумбометр, 14 – привод экранов пространственного концентратора. На рисунке 6 (автор В.Г. Буто) – один из принципиальных вариантов дизайнерского решения пространственного концентратора.

Конечно, крышные ветряки (в меньшей степени вертикально-осевые) не лишены недостатков. К главным из них относятся: вибрация, шум, электромагнитное излучение, нанесение ущерба дикой природе. Однако эти и менее существенные изъяны «надомных» ветряков уже нынче в большой степени минимизируются. Что уж тут говорить о будущем! Притом не забудем, что мощность малых ветрогенераторов, от которой в первую очередь и зависит их «вредность», сравнительно низка – максимум 100 кВт.

Отапливаемый объем ветроздания должен определяться в зависимости от мощности и, соответственно, размеров ветрогенератора, а также мощности других обслуживающих здание источников энергии. И наоборот. С экологической и экономической точек зрения подобному строительному объекту не стоит задавать избыточную, по отношению к санитарно-гигиеническому оптимуму, полезную площадь. А принципы композиционного формирования дизайн-объектов диктуют то, чтобы ветроустановка была соразмерной находящемуся под ней корпусу здания. Мало- и среднеэтажные непротяженные (длина не намного больше ширины) ветроздания более или менее обычных размеров целесообразно оснащать одиночным однокаскадным или двухкаскадным ветрогенератором с пространственным концентратором.

Логично ставить ветроздания на возвышениях и не окружать высокой растительностью. Кровли этих строений правильно делать скатными, чтобы они играли роль конфузора – дополнительного концентратора ветрового потока. Разумеется, ветроздания надо оснащать не только ветротехникой, но и солнечными коллекторами, фотоэлектрическими модулями и другими источниками возобновляемой энергии.

Самостоятельные опоры ветряка с амортизаторами в верхней части следует отделять от несущих конструкций помещений постоянного пребывания людей. Опоры ветрогенератора могут располагаться как вне основного объема здания, так и вне и внутри его одновременно.

В отношении энергопотребления ветроздание должно по крайней мере не уступать пассивному дому. Как известно, потребность такого дома в тепловой энергии не более 15 кВт·ч/м2 в год, а 

полная потребность в первичной энергии не более 120 кВт·ч/м2 в год. Отсюда варианты конструктивного решения ограждающей оболочки. Так, наружные стены могут быть не только с толстым слоем, например, каменной ваты, но и выполненными из соломенных блоков.

В каких районах можно строить ветроздания? Можно и там, где нет централизованной электросети, и там, где она есть. Даже в густонаселенной Западной Европе, причем даже при наличии ослабленных и турбулентных ветровых потоков, обусловленных большой шероховатостью городской среды, есть смысл в подключении к сети малых ветрогенераторов. Ведь с их помощью улучшается качество электроснабжения. Все более востребованной становится городская ветроэнергетическая интеграция, благодаря которой снижается потребность  в электричестве. Вот почему и развивается ориентированная на сетевую работу европейская малая ветроэнергетика.

Концептуальные предложения сравнительно небольших ветрозданий как целостных архитектурно-дизайнерских объектов разрабатывались студентами архитектурного факультета БНТУ и факультета дизайна и декоративно-прикладного искусства БГАИ. Одни из самых примечательных среди них – три дипломных проекта (на рисунках 7–12 их фрагменты): дизайна среды комплекса Посольства Французской Республики в г. Минске (2007 г., автор – А.В. Кучерявый, консультанты по научно-технической части – Д.Д. Жуков и Н.А. Лаврентьев; рисунки 7 и 8), предметно-пространственной среды инновационного энергоактивного коттеджа (2011 г., автор – О.С. Николаева, руководитель – Д.Д. Жуков; рисунки 9 и 10) и предметно-пространственной среды инновационного общественного здания средней этажности (2011 г., автор – Ю.В. Трофименко, руководитель – Д.Д. Жуков; рисунки 11 и 12). Инновационной подосновой всех трех проектов является источник [5].  

В первом проекте, выполненном в БНТУ, проработана в большей степени архитектурно-пространственная основа среды, в двух других проектах, выполненных в БГАИ,  приоритет за интерьерными решениями. Вместе с тем в работах, выполненных в БГАИ, было решено достичь гармонии предметно-пространственной среды каждого из двух зданий при обеспечении визуальной родственности их фасадов и интерьеров. По мнению тех, кто оценивал указанные проекты, дипломникам в основном удалось решить поставленные перед ними задачи.

Идея первого проекта – сформировать такой образ посольства, который наиболее полно выразит дух Франции («…вы сразу должны понять, что перед вами посольство именно Франции, и никакой иной страны более…»). При этом решалась и такая специфическая задача – архитектурно-дизайнерская адаптация гелио- и ветросистем к зданию посольства и соответствующая оптимизация его архитектурных решений. Систем, призванных сделать объект в значительной степени энергонезависимым.

Идея второго проекта – достижение гармоничной визуальной целостности архитектурно-дизайнерского решения малоэтажного жилого дома бионических форм и расположенной над ним вертикально-осевой геликоидной ветроэлектрической установки с пространственным концентратором. Ветроустановка – архитектурно-дизайнерская доминанта коттеджа, имеющего близкий к нулевому энергобаланс. Футуристический фасад обусловливает образ внутренней предметно-пространственной среды дома. Помимо прочего она включает в себя мебель и осветительные приборы оригинального авторского замысла – например, светодиодные светильники «Соты», визуально объединяющие интерьеры помещений.

Идея третьего проекта – та же, но относится к зданию проектно-строительной компании и двухкаскадной ветроустановке (ее принципиальное решение аналогично представленному в первом проекте). И здесь композиционной доминантой имеющего близкий к нулевому энергобаланс здания служит ветроустановка, которая формирует его эстетический образ. Словно растение, тянущееся навстречу живительным лучам, она «ловит», по сути, солнечную энергию. Ведь ветер – одно из творений Солнца. Бионика цветка крокуса обусловливает также стилевой характер интерьеров.

Предполагаемые места строительства второго и третьего объектов – холмы на северо-западе от Минска. Ориентировочная мощность ветрогенераторов коттеджа и здания проектно-строительной компании – 25 и 50 кВт, соответственно. Не лишним будет заметить, что перед авторами приведенных работ не ставилась задача доведения до возможного минимума отапливаемых объемов проектируемых ветрозданий. 

С недавних пор развитие городской ветроэнергетики пошло заметными темпами. Что объясняется не только пугающими изменениями климата и ростом цен на невозобновляемую энергию, но и тягой многих представителей рода человеческого к новому и необычному. В связи с этим можно более или менее уверенно предположить, что не за горами время, когда возникнет спрос и на ветроздания. Спрос со стороны людей, которым нужна оригинальная, открытая всем ветрам и отвечающая принципам устойчивого развития среда обитания. Ветроздания вполне способны стать одними из путеводных звезд прогресса в области архитектуры и энергетики. Причем едва ли не в буквальном смысле. Ибо для их размещения прекрасно годятся холмы и горы. На которых в темное время суток могут сверкать как звезды подсвеченные светодиодами «надомные» ветряки.

Литература

1. Разработка принципиальных вариантов рационального сочетания базовых архитектурных, строительных и инженерных решений небольших энергоактивных зданий, оснащенных гелио- и ветротехникой, для климатических условий Беларуси: Отчет о НИР / БНТУ; Руководитель Д.Д. Жуков; № ГР 20041893; – Минск, 2005.

2. Ветроэнергоресурсы и условия возведения ветроэнергетических установок на территории Восточной Прибалтийско-Черноморской зоны Европы / Лаврентьев Н.А., Волобуева Г.В., Гноевой А.И., Камлюк Г.Г., Евчук В.И.; под научной редакцией Н.А. Лаврентьева. – Минск: Право и экономика, 2010. – 455 с.

3. Жуков Д.Д., Лаврентьев Н.А. Энергию ветра – на ветер?.. // Архитектура и строительство. – 1999. – № 5. – С. 36–38.

4. Патент на изобретение BY 4323. Ветроэнергетическая установка. Лаврентьев Н.А.,  Хлебцевич В.А. Приоритет от 23.11.1998.

5. Патент на изобретение BY 9608. Ветроэнергетическая установка. Лаврентьев Н.А., Жуков Д.Д., Шляхтенко В.Г., Лаврентьева Ю.Н. Приоритет от 12.24.2003.