Градски вятърни турбини възможна алтернатива

Известно е, че големите вятърни турбини и вятърни паркове се инсталират на достатъчно голямо разстояние от населените места. Причините за такива решения са няколко като се започне с високото ниво на шум, произвеждано от турбините и се стигне до факта, че за ефективната им работа се изисква открито пространство, недостижимо в условията на града. Извънградските турбини започнаха да стават с все по-големи размери на стълбовете и роторните перки с цел увеличаване на производителността. Такива турбини се нуждаят от много място и ветрови режими различни от градските. Всичко това обаче далеч не означава, че вятърът може да се използва като алтернативен източник на енергия само в незастроените територии. Как стоят нещата в урбанизираните зони?

Вятърът в града – използваем с подходящите турбини
Привлечени от възможността да произвеждат „зелена” енергия от вятъра, в града все повече държавни, общински и частни организации се обръщат към вятърните турбини. Такова приложение на вятърните турбини си има своите особености и предизвикателства. Както знаем, градският релеф е сложен и променлив във времето. Той участва в сложна динамика при определяне режимите на вятъра. Наличието на сгради увеличава турбуленцията на потока и над тях вятърът се ускорява по същия начин както при протичане на въздуха през върха на самолетно крило. Освен това посоката се променя от хоризонтална в направление леко нагоре. Вятърните турбини за градска среда трябва да са пригодени за ефективна работа при тези режими. Интегрирането им със сградната инфраструктура е също нелека задача. Да не забравяме, че в населените места турбините трябва да са безшумни и безопасни. Ето защо на урбанизираните територии са им необходими вятърни турбини, различни от тези, които сме свикнали да виждаме във вятърните паркове, по планинските хребети и ветровитите полета. Те се наричат малки или градски вятърни турбини – един сравнително нов клас във ветроенергийната индустрия. Той се развива, за да се справи с условията и изискванията на урбанизираните територии, предоставяйки им възможност да станат по-независими от енергийна и икономическа гледна точка, по-модерни и екологични.

Малки или градски вятърни турбини са турбини, които са специално проектирани за застроената околна среда, и могат да бъдат разположени върху сгради или на земята, в непосредствена близост до сгради. Това предполага, че турбината е адаптирана за ефективна работа в специфичния режим на вятъра в застроената среда. Формата и големината на турбината се проектират така, че не само да е достатъчно ефективна в конкретните условия, но и да е безшумна, безопасна и визуално да се интегрира добре с околния градски ландшафт. Малките вятърни турбини обикновено са с капацитет от 1 до 20kW.

Разнообразие от градски вятърни турбини и правилен избор
Съществуват различни видове дизайн и конфигурация на градските вятърни турбини, но независимо от тяхната форма и размери, те могат да бъдат разделени в два класа в зависимост от оста на въртене: градски вятърни турбини с вертикална ос (VAWTs) и градски вятърни турбини с хоризонтална ос (HAWTs), подобно на конвенционалните вятърни турбини. При HAWTs роторът е монтиран върху хоризонтална ос и се позиционира в посока на вятър с помощта на опашка или моторна система (ъглово ориентиране). Такива турбини са чувствителни към промени в посоката на вятъра и турбуленцията, които имат отрицателен ефект върху производителността, поради изискваното позициониране на турбината по посока на вятъра.

Вятърните турбини с вертикална ос се развиват като клас типичен за градски зони. При тях промяната в посоката на вятъра няма толкова силно негативно въздействие, защото те не трябва да се ориентират по посоката на вятъра. VAWTs са категоризирани като Савониус или Дариус видове, в съответствие с принципа, използван за улавяне на потока на вятъра. За тип Савониус, вятърът изтласква перките, което предполага, че скоростта на въртене е винаги по-ниска от скоростта на вятъра. За разлика от него, формата на ротора тип Дариус дава възможност роторът да се върти по-бързо от скоростта на вятъра. Тук обаче възникват редица предизвикателства с дизайна, тъй като по-голямата част от масата на ротационния механизъм е съсредоточена в периферията, а не в центъра, което води до големи центробежни натоварвания. Друг проблем е, че тези турбини имат резонансни режими, което при определена скорост на въртене може да ги разруши. Затова трябва да имат спирачки или устройства за контрол на скоростта.

Изборът на турбина се прави, като се имат предвид предварително проучените условия на експлоатация, така че тя да е най-подходяща за даденото място. Много турбини започват да работят при минимална скорост на вятъра. Ако скоростта на вятъра е по-ниска от минималната скорост за произвеждане на енергия, тогава турбината не се включва изобщо. Някои дизайни са такива, че турбините работят дори при много ниски скорости на вятъра. Въздушната турбуленция е друг критичен момент, който трябва също да се вземе предвид при избора. Някои турбини работят лошо, а други добре при турбулентни условия. По същия начин променящата се посока на вятъра може да е сериозен проблем за някои турбини, а за други да не създава трудности.

Малките вятърни турбини за населени места могат да бъдат автономни, несвързани с мрежата и да натрупват неизползваната енергия в батерии. Това е подходящо за отдалечени райони. За урбанизираните територии с електроразпределителна мрежа е по-удачно вятърните турбини да се свържат с мрежата и да є подават излишната енергия, а при недостатъчно производство от страна на турбините обектът да черпи енергия от мрежата. Възможен вариант за използване на градските турбини е в съчетание с фотоволтаични елементи, т.е. във вид на хибридни системи. Те имат предимството, че произвеждат енергия в по-широк спектър от климатични условия, през деня и нощта. Много популярно при модернизиране на уличното и парковото осветление е именно захранване с подобни източници на енергия.

Проучвания върху вятъра в града и тестване на турбините
Тестването на местоположението на градската вятърната турбина може да бъде скъпо и да отнеме много време. Обикновено данните се събират в продължение на една година и често са свързани с десетилетия показания на най-близката метеорологична станция, за да се получи реална представа за режима на вятъра в зоната на изпитване. Има също пакети за компютърен софтуер, които могат да симулират режима на вятъра в даден район. Също така е възможно да се моделира скоростта на вятъра при използване на Изчислителна динамика на флуидите (CFD).

Предимства и приложения
Малките вятърни турбини могат да се интегрират с архитектурата на супермаркети, търговски паркове, офис и индустриални паркове, болници, училища, курортни и жилищни сгради и по този начин да ги направят енергийно независими и да намалят въглеродния им отпечатък.

Има дизайни, които осигуряват безшумна работа и позволяват турбините да се използват близо до жилища и офиси и дори в зони за отдих като градини и паркове. Напоследък бяха разработени проекти, в които вятърните турбини визуално имитират дървета и обогатяват градския ландшафт, правейки го доста нетрадиционен, модернистичен и интересен. Този тип разработки показа желанието на проектанти и производители не само да впишат турбините си в средата според изискванията, но и да накарат все повече хора да ги харесват. Така отпада недостатъкът с конвенционалните вятърни турбинни, считани от някои за непривлекателни.

Вече има разработени малки турбини, които се интегрират към всякакъв тип сгради и урабнизирани територии, така че приложението им е неограничено. Когато са достатъчно безшумни могат да се монтират на покрива на сградата, на улицата или да бъдат включени в архитектурата на сградата по друг начин. По-шумните варианти са подходящи за зоните в перифериите на града, около летища и промишлени територии. Съвременното градоустройствено планиране и съвременните архитектурни решения са насочени към включване в градската среда на точно такъв тип инсталации за производство на енергия от възобновяеми източници. Днес еко-градовете не могат да бъдат наречени така без градски вятърни турбини. Те присъстват в най-впечатляващите проекти за градове на бъдещето като Масдар, Неаполис Смарт Еко-сити, Хамбург Еко-сити и други.