Градски вятърни турбини – възможна алтернатива

Вятърните турбини все повече навлизат и се използват като ключов възобновяем източник на енергия до толкова, че намират приложение дори и в градовете. Градските зони от своя страна предоставят различни условия по отношение на разположението на турбините в тях. Някои места като паркове, брегове на реки и крайни градски зони са с относително високи скорости на вятъра и с ниска турбуленция. Там градските вятърни турбини могат да работят добре. Като цяло обаче наличието на сгради намалява средната скорост на вятъра, променя ориентацията на флуидните потоци и увеличава шума от турбините. Предизвикателствата, свързани с дизайна на градските вятърни турбини, са в овладяването на усложнения вятърен режим в разнообразния градски ландшафт по най-ползотворен и безопасен начин.

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 вятъра може да се използва като алтернативен източник на енергия само в незастроените територии. Как стоят нещата в урбанизираните зони?

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 турболенцията 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. Интересът към тях нараства, а заинтересованите страни са много – национални правителства, регионални и общински управления, производители, архитекти, инженерингови фирми, доставчици на енергия, собственици на сгради и инфраструктурни обекти (офис сгради, болници, спортни зали, жилищни сгради, магистрали, железопътни линии), собственици на домове и финансови институции.

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 за рискаене (ъглово ориентиране). Такива турбини са чувствителни към промени в посоката на вятъра и турболенцията, 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 ротора 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, не свързани 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 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 вятърна 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). Това е особено полезно в застроени територии, защото както казахме в зависимост от архитектурата им сградите водят до широк спектър от ефекти върху поведението на вятъра. Информация за турболентните потоци се събира от аналитични прогнози или чрез експерименти с аеродинамичен тунел в турбулентен поток. Тъй като използването на градските вятърни турбини в застроени площи е интердисциплинарна дейност е много важно да има обмен на информация и опит в отделните области като дизайн на турбини, изучаване на флуидни потоци и мениджмънт на урбанизираните територии. Едва тогава инвестицията в тях ще се възвърне бързо и експлоатацията им ще доведе до устойчивост на проекта.

Предимства и приложения
Като се имат предвид постоянното увеличаване на цените на енергията в последните няколко години и усилията на ЕС и държавите-членки за увеличаване дела на възобновяемата енергия и намаляване на парниковите газове, не е изненадващо, че днес все повече собственици и мениджъри търсят алтернативни форми за производство на енергия. Такава алтернативна форма представляват малките градски вятърни турбини. Тяхната роля за енергийната независимост на бъдещите градове е изключително важна. Те ще подпомогнат и частично ще заменят традиционната енергетика. За местата без достъп до електропреносната мрежа са алтернатива за производство на електричество. А за урбанизираните територии с развита електроразпределителна мрежа е възможно електричеството да се произвежда на мястото на консумацията му, в самите градове, като така се намаляват загубите от пренос. Още повече това е производство, което не води до никакво замърсяване на околната среда. 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 на конвенционалните вятърни турбинни, считани от някои за непривлекателни.

Вече има разработени малки турбини, които се интегрират към всякакъв тип сгради и урбанизирани 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.

В проектирането на сгради също прави впечатление, че все повече архитекти напоследък залагат на вграждане по един или друг начин на вятърни турбини в проектите си. Показателен пример за това е Световният търговски център в Бахрейн. Въобще, приложенията на градските вятърни турбини стават все по-разнообразни и изненадващи. Благодарение на развитието на ветроенергийния инженеринг, проучванията в динамиката на флуидите и модернизирането на архитектурата, малките градски турбини ще имат все повече предимства.

Безопасност
Техническите екипи по поддръжката на градските вятърни турбини трябва да работят при безопасни условия. Електрическите съоръжения и движещи се перки са потенциални опасности. Необходимо е да има план за безопасност на населението, както и на персонала, работещ с турбините. Един от специфичните проблеми е рискът от счупване на перките на турбината. В близост до домовете и сградите е нужно турбините да са с по-малък размер от гледна точка на шума. Друг фактор, който трябва да се вземе предвид при избирането на градски турбини са природните бедствия. Евентуална мълния може да причини увреждане на вятърните турбини в градовете. За този проблем предпазна мярка е изключването на турбината по време на бури. Много удобни за предотвратяване на щети при екстремни условия са аварийните спирачни системи. От друга страна една новоизградена вятърна турбина може да стане обект на вандализъм. За да се предотврати това може да се използва видео наблюдение или монтаж на трудно достъпни места, стига да отговарят на условията за ефективна работа на турбината.

Потенциал
Съвременните малки градски турбини показват разнообразие от дизайнерски решения, лесен монтаж, безопасност и безшумност. Предоставят възможности за интегриране към сгарди дори представляват естетично допълнение към архитектурния облик на града. Те правят градската среда по-сигурна като успешно се съчевават в хибридни системи с фотоволтаици и спомагат за устойчивото осигуряване на електричество въз основа на възобновяеми енергийни източници. На пазара съществува голямо разнообразие от малки вятърни турбини, а проучванията и разработките продължават в посока към увеличаване на ефективността, намаляване на шума, оптимизиране на естетическия дизайн и сигурността, така че разнообразието ще нараства. Това е едно ново поле за открития. Големите възможности за избор и множеството предимства на градските вятърни турбини предполагат все по-широкото им използване в бъдеще в стремежа към постигане на устойчивост на урбанизираната среда.