ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНІ УСТАНОВКИ У СУЧАСНІЙ АРХІТЕКТУРІ

Вітроенергетика - галузь енергетики, що спеціалізується на перетворенні

кінетичної енергії повітряних мас в атмосфері в електричну, механічну, теплову або будь-яку іншу форму енергії, зручну для використання.

Історія вітроенергетики

• Перші найпростіші вітродвигуни застосовували в давнину в Єгипті та Китаї. У Єгипті (біля Олександрії) збереглися залишки кам'яних вітряків барабанного типу, побудованих ще в ІІ-І ст. до зв. е.
• Вітряки використовувалися для розмелювання зерна в Персії вже в 200-му році до н. е. Млини такого типу були поширені в ісламському світі і в 13 столітті принесені до Європи хрестоносцями.
• Млини на козлах, так звані німецькі млини, були до середини XVI ст. єдино відомими. Сильні бурі могли перекинути такий млин разом із станиною. У середині XVI століття один фламандець знайшов спосіб, за допомогою якого це перекидання млина унеможливлювалося. У млині він ставив рухомий лише дах.
• У XVI столітті в містах Європи починають будувати водонасосні станції з використанням гідродвигуна та вітряка. У Нідерландах численні вітряки відкачували воду із земель, огороджених дамбами.
• Вітряки, що виробляють електрику, були винайдені в 19-му столітті в Данії. Там у 1890 році була побудована перша вітроелектростанція, а до 1908 року налічувалося вже 72 станції потужністю від 5 до 25 кВт.

Історія вітроенергетики

Перський вітряний млин

Вітряк голландця Едмунда Лі. 1745 Тип крил - дерев'яні каркаси, обтягнуті матерією.

Грецький вітряк

​

• Вартість одного вітряка в 3 рази нижче, ніж точно такої ж потужності сонячної установки;

​

• Вітер дме вдень і вночі, взимку та влітку, в дощ та сніг, а сонце світить рідше;

​

• Під час затяжних дощів та похмурої погоди сонячні установки втрачають свою потужність у 5-кратному розмірі;

​

• ККД сонячних установок з кожним роком експлуатації зменшується.

Серед усіх видів альтернативних джерел енергії вітроенергетика посідає чільне місце порівняно із сонячними батареями з кількох причин:

Вітроенергетика як сектор енергетики є у більш ніж 50 країнах світу.

​

Країни з найбільшою встановленою потужністю —

​

• Німеччина (18 428 МВт),
• Іспанія (10 027 МВт),
• США (9 149 МВт),
• Індія (4 430 МВт)
• Данія (3 122 МВт).

​

Ряд інших країн, включаючи Італію, Великобританію, Нідерланди, Китай, Японію та Португалію, перейшли позначку 1 000 МВт.

Переваги використання енергії вітру. ��1. Енергія вітру є поновлюваною, невичерпною ресурсами. Робота вітрогенератора потужністю 1 МВт за 20 років дозволяє заощадити приблизно 29 тис. тонн вугілля або 92 тис. барелів нафти. ��2. Все, за що доведеться платити власникам, – це за встановлення. Енергія вітру безкоштовна. ��3. Екологічно чиста енергія. У процесі експлуатації вітрогенератор не робить шкідливих викидів. ��4. Вітряк можна встановити практично в будь-якому місці, з тією лише різницею, що вироблятиметься різна кількість енергії. ��5. Вітрогенератори розташовуються на щоглах, тому легко сусідять з іншими будівельними об'єктами.

Недоліки вітряків ��1. Вітер і його сила не тільки мінливі, але й непередбачувані, тому при установці вітряка необхідний ще й буфер для надмірної акумулювання електроенергії ��2. Перед тим, як встановити вітрогенератор, потрібно скрупульозно вивчити місцевість і скласти карту вітрів. ��3. Вітрогенератор створює низькочастотні коливання, що передаються через ґрунт. ��4. Вітряні турбіни є безшумними, тому можуть заважати оточуючим. У безпосередній близькості від вітрогенератора у осі вітроколеса рівень шуму досить великої вітроустановки може перевищувати 100 дБ. Мінімальна відстань від установки до житлових будинків - 300 м. ��5. Лопаті турбін часто стають причиною загибелі птахів, яких захоплюють потоки вітру. Але в останні десятиліття конструктори ВЕУ розробили рішення, що дозволяють знизити рівень шуму і вібрацій, а для захисту птахів від лопатей, що обертаються, вітроколеса стали захищати сітчастим кожухом.

Аерологічні дослідження

Вітроенергетика використовує результати аерологічних досліджень, з урахуванням яких розробляється вітроенергетичний кадастр. За його даними виявляють райони зі сприятливим вітровим режимом, встановлюють види робіт, де застосування вітрової енергії є доцільним та економічно вигідним у порівнянні з іншими енергоджерелами.

Дослідження швидкості вітру

​

Вітряні електростанції будують у місцях із високою середньою швидкістю вітру — від 4,5 м/с та вище.

​

Попередньо проводять дослідження потенціалу місцевості. Анемометри встановлюють на висоті від 30 до 100 метрів, і протягом одного-двох років збирають інформацію про швидкість та напрям вітру.

​

Отримані відомості можуть поєднуватися в карти доступності енергії вітру. Такі карти (і спеціальне програмне забезпечення) дозволяють потенційним інвесторам оцінити швидкість окупності проекту.

​

Звичайні метеорологічні відомості не підходять для будівництва вітряних електростанцій: ці відомості про швидкості вітру збиралися на рівні землі (до 10 метрів) та в межах міст, або в аеропортах.

Найбільш перспективними місцями для енергії з вітру вважаються прибережні зони. У морі, на відстані 10—12 км від берега (іноді й далі) будуються офшорні ферми.

Башти вітрогенераторів встановлюють фундаменти із паль, забитих на глибину до 40 метрів. Також можуть використовуватися інші типи підводних фундаментів, а також плаваючі основи.

Данія один із лідерів та піонерів офшорної вітроенерегетики. У 2003 році у всьому світі було збудовано 530 МВт офшорних вітряних електростанцій, з них 492 МВт було збудовано в Данії.

1. Вітроенергетика як альтернативне джерело одержання енергії   ��Вітроенергетика не виробляє жодних відходів і є нескінченним екологічно чистим джерелом енергії. Для сприйняття вітрової енергії необхідно створення сприятливих умов у зоні роботи лопатей. Для встановлення ВЕУ придатні дахи будівель та споруд нежитлового призначення (гаражі, криті майданчики, склади торгових споруд тощо); можливе влаштування енергоактивних прибудов до реконструйованої будівлі, конструкції та форми яких призначені для створення оптимальної спрямованості вітрових потоків.

�Современные ветроэнергетические установки делятся на два класса: �- мощные, в сотни тысяч киловатт, называются сетевыми потому, что при безветрии обеспечение потребителя энергией идет из сети; �- автономные, работающие в паре с аккумулятором. Как правило, мощность автономных установок не превышает 5-10 кВт. Они называются: ветроэлектрические установки малой мощности (ВЭУММ).���

Классификация ветроэнергетических установок

Типи вітроелектростанцій

• Крильчаті

​

• Карусельні

​

• Барабанні

​

• Інші оригінальні конструкції.

� �Крильчаті вітряки з горизонтальною віссю обертання є найпоширенішим типом вітряків. Максимальна ефективність ВЕУ такого типу досягається, коли вітровий потік діє перпендикулярно до площини обертання лопатей, тому конструкція передбачає пристрій автоматичного повороту осі обертання. Потужність крильчастої ВЕУ безпосередньо залежить від швидкості вітру та розмаху лопатей вітроагрегату.

1 – багатолопатеве

2 – трилопатеве

3 – дволопатеве

4 – однолопатеве

з противагою

ВЕУ крильчатого типу

ВЭУ крыльчатого типа

Переваги:

Велика швидкість обертання це дозволяє з'єднуватися з генератором, що збільшує ККД;

​

Простота виготовлення;

​

Велика різноманітність моделей.

​

Недоліки:

​

Високий рівень шумового та ультразвукового забруднення. Це може бути небезпечним для здоров'я людей. Тому генеруючі промислові потужності розташовують у безлюдних місцях;

​

Необхідність застосовувати стабілізатор та пристрої наведення на потік вітру;

​

Швидкість обертання знаходиться у зворотній пропорції до кількості лопатей, тому в промислових моделях рідко використовують понад три лопаті.

ВЕУ крильчатого типу

Потужність вітрогенератора залежить від площі, що замітається лопатями генератора.

​

Наприклад, турбіни потужністю 3 МВт виробництва данської фірми Vestas мають загальну висоту 115 метрів, висота вежі 70 метрів, діаметр лопатей 90 метрів.

​

​

Найбільші у світі вітрогенератори випускає німецька компанія REpower (REpower Systems (нім.)). Діаметр ротора цієї турбіни 126 метрів.

Потужність таких установок сягає 6 МВт, вага гондоли - 200 тонн, висота вежі - 120 м.

 Веу карусельногор типу мають вертикальну вісь обертання. Такий тип установки зі збільшенням швидкості вітру досить швидко набирає силу тяги, після чого її швидкість обертання практично постійно постійна і змінюється. Відмінні риси: �- безшумність або тихохідність; �- легкість конструкції; �- простота монтажу; �- робота при невисокій швидкості та у будь-якому напрямку вітру; �- дешевизна.

ВЕУ карусельного типу

ВЕУ карусельного типу

ВЕУ барабанного типу

Такі вітротурбіни майже безшумні і не створюють вібрацію будівлі, поздовжні лопаті поділені на три частини та змонтовані у захисну раму.

​

Вона не видає шуму, вібрації, безпечна для птахів, її секції можуть бути встановлені під будь-яким кутом до даху будинку.

Розміщення вітрогенератора із горизонтальною віссю обертання у верхній частині висотного будинку. Таке рішення є найбільш поширеним, і часто вітрогенератори встановлюються на дахах будівель, що будуються, так і вже існуючих.

Житловий будинок, Лондон, реалізований проект

Громадська будівля, Лондон,

реалізований проект

Будівлями середньої та малої висотності, то потоки вітру можуть змінювати свої напрями та знижувати швидкість, стикаючись з перешкодами, об'єктами навколишньої забудови.

Тому в даному варіанті застосування вітрового генератора з вертикальною віссю

обертання оптимальним, т.к. він працює на низьких швидкостях вітру і здатний

виробляти електроенергію

Використання вітряка безпосередньо в тіло будівлі. Він може розташовуватись як на даху, так і між поверхами. У цьому варіанті використовується механізм з вертикальною віссю обертання, який дозволяє сховати

обсяг пропелера у будь-яке місце будинку. Цей варіант впливає на пластику фасаду.

The Pearl River Tower, Китай, об'єкт

незавершеного будівництва

Вітряки розташовані між корпусами будівель.

Цей варіант має безліч переваг. Одне з них - це можливість розміщення генераторів будь-яких розмірів, причому на незалежному каркасі, тим самим вирішуючи проблеми вібрації і шуму. Один із мінусів даних рішень – це незалежність форм пропелерів по відношенню до загального обсягу будівлі.

Екологічний хмарочос, проект індійського архітектора Вікаса Павар

Приклад трансформації конструкції і форми будівлі, що сприяють концентрації та організації вихрових потоків, що утворюються, збільшують обсяг виробленої Енергії Будівля в плані є вітрило, яке «збирає» повітряні потоки, що обгинають поверхні споруди, і з прискоренням направляє їх до вітрових турбін, розташованих по всій висоті на одній грані

Житловий будинок, Лондон, реалізований проект

�Розміри вітряної електростанції нового покоління невеликі і становлять лише 3,6 м у діаметрі та 3 м у висоту, що дозволяє встановлювати його на даху житлових багатоповерхових та громадських будівель, а система кріплення на 8 опорах робить монтаж ВЕУ зручним та надійним. Новий прототип ВЕУ працює за вітру з мінімальною швидкістю 2 м/с, що є недосяжною висотою для стандартних вітряних турбін. Навіть при повному штилі, коли турбіна зупиняється, для відновлення її роботи їй не потрібне живлення від мережі, її система самозапуску змусить лопаті обертатися при появі вітру будь-якого напрямку швидкістю від 1,8 м/с. Перевагою даного прототипу ВЕУ для розміщення у зоні постійного проживання людей є мінімальний рівень шуму та вібрації, а також надійність та здатність витримувати пориви вітру навіть дуже високої швидкості.

Вітроенергетична установка компанії McCamley

Вітроенергетична установка компанії McCamley

Бахрейнський всесвітній торговий центр. Збудований у 2008 р.

"Интеллектуальное здание" в Бахрейне��50-этажные башни Торгового центра в Бахрейне (архитектор Эткинс) соединены по высоте тремя мостами длиной 31.7 м, на каждом мосте закреплены ветряные генераторы электроэнергии, производящими от 11 до 15 % э/энергии необходимой зданию. Мосты проектированы так, чтобы они могли выдерживать и поглощать колебания, вызванные ветром и вращением турбин.� Форма обеих башен должна создавать "туннель”, позволяющий ветру со стороны залива проходить между ними, одновременно создавая пониженное давление за зданиями, чтобы ускорить скорость воздуха в районе турбин. Данное решение по архитектурной форме башен позволило усилить скорость ветра, проходящего через турбины до 30%.

Хмарочос Strata в Лондоні, 2010р.

3 вітряні турбіни, кожна з яких має 5 лопатей, здатні генерувати близько 8% енергії, необхідної для всієї будівлі. Така незвична кількість лопатей, п'ять замість звичайних трьох, дозволяє значно знизити рівень шуму та вібрації. Аеродинаміка конструкції була спланована так, щоб вітер крутив турбіни з максимальною ефективністю протягом усього року. За розрахунками інженерів, вітер швидкістю 60 км/год має забезпечити вироблення 50МВт-годин електроенергії на рік.

Wuhan Energy Flower – енергетична башта-квітка

У листопаді 2010 року розпочалося будівництво нової будівлі дослідницького центру університету Уханя у Китаї. 140-метрова споруда, біля основи якої знаходяться корпуси-пелюстки, вкриті живими газонами. У центрі знаходиться основна вежа, яка поступово розширюється до верху, а вже на даху розташовані сонячні батареї, які заповнюють весь простір нагорі. Завершує конструкцію маточка - величезна металева колона з вертикальними вітровими турбінами. В енергетичному плані будівля має бути повністю на самозабезпеченні.

Архітектурне бюро Michael Rosenthal Associates (Майамі, США) представило проект спорудження у формі яйця – «Envision Green Hotel», яке є частково вітряною вежею, частково – урбаністичною еко-готелем.

У готелі намічається кілька вітрових турбін, за рахунок яких нагріваються котли з водою для водопостачання, опалення та пари для парових машин, які повинні використовуватися з метою економії електроенергії.

Футуристичний проект, розроблений римськими архітекторами Майнервіні Вітторіо (Minervini Vittorio) та Санна Джакомо (Sanna Giacomo) у творчому союзі з італійськими ж дизайнерами Делзотті Карло (Delzotti Carlo) та Ломбардії Фабіо (Lombardi Fabio).

Структурно дві вежі, з яких сформовано комплекс, є основою для «крил», які «ловлять вітер», таким чином обертаючись навколо хмарочосів. Витончені «крила» вітрових турбін закріплені до кільця. А для максимального руху енергії авторами запрограмований «ефект торнадо», викликаний близькістю розташування конструкцій один до одного.

Проект Energy Roof на замовлення міської влади Перуджі розробила архітектурна компанія Coop Himmelb(l)au. Згідно з цим проектом, над деякими з вулиць міста будуть споруджені своєрідні тканинні дахи-балдахіни.

Сонячні батареї та вітряні турбіни будуть встановлені у просторі між дахами будинків, накриваючи тим самим вулицю. Тканею ці дахи будуть звернені до низу, у бік перехожих та мешканців вулиці.

А зверху, у бік неба будуть спрямовані сонячні батареї та повітряні турбіни.

Нова безлопатева вітротурбіна EWICON

• Дослідники з компанії TU Delft нещодавно об'єдналися з голландською архітектурною фірмою Mecanoo, щоб створити безпечну для птахів вітряну турбіну, яка може перетворювати енергію вітру в електрику без механічних деталей, що рухаються. Турбіна, що отримала назву Electrostatic Windenergy Convertor (EWICON), що означає електросатичний перетворювач енергії вітру, була встановлена в Технологічному університеті Делфта (Delft University of Technology), Голландія, повідомляє inhabitat.com.
• Сталева рама нової турбіни підтримується каркасом із горизонтальних сталевих трубок, усередині яких створюються електрично заряджені краплі, потім здуваються вітром. Їхній рух створює електричний струм, який передається в мережу. Чудова вітрова турбіна не робить жодного шуму і не відкидає тіні. Оскільки вона не має рухомих частин, експлуатаційні витрати на неї набагато нижчі, ніж на звичайні вітротурбіни.

​

"Динамічна архітектура" Девіда Фішера

"Динамічна архітектура" Девіда Фішера� �Динамічна архітектура – так називає свій проект автор. Поверхи нанизуються на "ствол" будівлі, що виступає як інженерна артерія (комплекс за проектом 68-поверховий заввишки 313 м). Кожен поверх незалежний один від одного. Між поверхами розташовуються лопаті які вловлюють вітер, тим самим обертаючись не тільки виробляють енергію, а й надають руху пластини поверхів, які обертаються незалежно один від одного. Будівля не має чіткого архітектурного рішення фасаду, його пластика змінюється щохвилини, набуваючи часом неймовірних форм: залежно від конфігурації кожного поверху та швидкості обертання. Головна особливість Фішера в тому, що в хмарочосі, що танцює, на чільне місце поставлені найбільші складові: економія енергії та екологічно чисті технології. Фішер впевнений, що його хмарочос буде здатний виробити енергію з вітру не тільки для себе, але й поділитися надлишками з десятком найближчих будівель не менших габаритів.

Проект COR building, Майамі, США

Проект COR building, Майамі, США� �25-поверхова вежа COR, яку спроектували для Майамі компанії Chad Oppenheim architecture. У цій "зеленій" будівлі планують розмістити апартаменти, офіси, кафе та магазини. "Зелене" воно тому, що включає до свого складу сонячні батареї та вітрові турбіни, а також сонячні колектори для нагрівання води. Коронує хмарочос три прорізи, що продуваються вітром, у круглих отворах яких будуть працювати вітряні турбіни, що видобувають необхідну для будівлі електроенергію.�

• Футуристичний будинок складається з двох кілець, що базуються на підземному фундаменті, який оточений заболоченою місцевістю, щоб створювалася ілюзія плаваючої структури. Зовнішнє кільце будівлі складається з 40 кабін, що обертаються, які надають відвідувачам вражаючий вигляд на Роттердам - що нагадують "Лондонське Око" у Великобританії. Внутрішнє кільце будинку включає 72 квартири, 160 готельних номерів, ряд торгових об'єктів і ресторан.
• Можливо, найяскравішою деталлю Вітроколесу, крім його зовнішнього вигляду, є турбіна, яка заповнює внутрішнє кільце будівлі. Турбіна представляє собою електростатичний енергетичний конвертер вітру (EWICON), який був розроблений в TU Delft. Енергосистема працює без рухомих механічних частин, що перетворює енергію вітру зі сталевих рам турбіни в електрику.

Голландське вітрове колесо�

Проект вітряків у формі дерев� �Голландське бюро NL Architects розробило проект вітряків у формі дерев Power Flowers. Таке рішення дозволить зняти проблему "непривабливості" цих споруд: часто проти їхнього зведення протестують саме з естетичних міркувань. За задумом архітекторів, деревоподібна основа нестиме на "гілках" до 12 турбін, які використовують для обертання вітер будь-якого напрямку та не вимагають значного відкритого простору.