Practical Action/Windpumps/uk

Вітряний насос — це вітряк, який використовується для перекачування води, або як джерело прісної води зі свердловин, або для осушення низинних ділянок землі. Колись поширене обладнання на фермах у напівпосушливих районах, вітряні насоси досі використовуються там, де електроенергія недоступна або занадто дорога.

У першій половині 20-го століття спостерігався подальший розвиток, зокрема перехід до вітрових машин пропелерного типу для виробництва електроенергії. До 1920-х років лише в США використовувалося 6 мільйонів вітрових насосів, і їх виробництво та використання стали звичним явищем на всіх континентах. Але слава вітрових насосів була недовгою. З появою дешевого викопного палива в 1950-х і 1960-х роках і розвитком насосних технологій вітрові насоси стали майже застарілими в США.

У кількох країнах, що розвиваються, зараз є виробники, які виробляють вітрові насоси. Однак впровадження вітрових машин для перекачування води загалом відбувається дуже повільно, хоча ця технологія добре відповідає попиту багатьох регіонів Африки, Азії та Латинської Америки.

Історія

Технологія вітроенергетики сягає корінням у багато століть. Існують історичні твердження, що вітрові машини, які використовують силу вітру, походять з часів стародавніх єгиптян. Герон Александрійський використовував простий вітряк для живлення органу, тоді як вавилонський імператор Хаммурапі використовував вітряки для амбітного іригаційного проекту ще в 17 столітті до нашої ери. Перси побудували вітряки в 7 столітті нашої ери для помелу та зрошення, а сільські млини, подібні до цих ранніх конструкцій з вертикальною віссю, досі можна знайти в регіоні. У Європі перші вітряки з'явилися набагато пізніше, ймовірно, їх запровадили англійці після повернення з хрестових походів на Близькому Сході або, можливо, перенесли до Південної Європи мусульмани після завоювання ними Піренейського півострова. Саме в Європі відбулася значна частина подальшого технічного розвитку. До кінця 13 століття був розроблений типовий «європейський вітряк», який став нормою, доки протягом 18 століття не були впроваджені подальші розробки. Наприкінці 19 століття в Європі було понад 30 000 вітряків, які використовувалися переважно для помелу зерна та перекачування води.

У першій половині 20-го століття спостерігався подальший розвиток, зокрема перехід до вітрових машин пропелерного типу для виробництва електроенергії. Однак основні досягнення в конструкції вітрових насосів відбулися в США. Технологію перейняли та розвинули перші піонери або поселенці, яким потрібен був метод підйому ґрунтових вод для зрошення, водопою худоби, а пізніше для забезпечення водою паровозів, які почали поширюватися по всій країні. Протягом цього часу відбулося кілька значних технічних розробок у комерційних машинах; здатність машини автоматично перемикатися на переважаючий вітер; розробка самокерованого механізму, який автоматично вимикав машину з вітру, коли швидкість вітру ставала достатньо високою, щоб завдати шкоди; різні вдосконалення в конструкції ротора та загальній довговічності, а також впровадження зубчастих механізмів. Ця технологія незабаром поширилася по всьому світу, особливо в нещодавно заселених посушливих регіонах, таких як Південна Африка, Австралія та Аргентина, де раніше брак води завжди перешкоджав заселенню та економічному розвитку у віддалених районах. До 1920-х років лише в США використовувалося 6 мільйонів вітрових насосів, а їх виробництво та використання стали звичним явищем на всіх континентах.

Але слава вітрового насоса була недовгою. З появою дешевого викопного палива в 1950-х і 1960-х роках і розвитком насосних технологій вітровий насос у США майже вийшов з ладу. Сьогодні, через регулярні паливні кризи та зростання цін, спостерігається відродження інтересу до вітроенергетики, але вітровий насос ще не повернув собі статус, який він мав під час свого розквіту.

Вітрова енергетика для сільських районів країн, що розвиваються

У кількох країнах, що розвиваються, зараз є виробники, які виробляють вітрові насоси. Однак впровадження вітрових машин для перекачування води загалом відбувається дуже повільно, хоча ця технологія добре відповідає попиту багатьох регіонів Африки, Азії та Латинської Америки. Там, де вони використовуються, попит спрямований на одне з наступних кінцевих застосувань:

• водопостачання села
• зрошення
• водопостачання для худоби

Перекачування води є однією з найбазовіших і найпоширеніших енергетичних потреб у сільській місцевості світу. За оцінками, половина сільського населення світу не має доступу до чистої води.

Технічний

Сила вітру

Вітрові системи, що існують над земною поверхнею, є результатом коливань тиску повітря. Це, у свою чергу, зумовлено коливаннями сонячного нагрівання. Тепле повітря піднімається, а холодніше повітря спрямовується на його місце. Вітер – це просто рух повітря з одного місця в інше. Існують глобальні вітрові моделі, пов'язані з масштабним сонячним нагріванням різних регіонів земної поверхні та сезонними коливаннями падіння сонячного світла. Існують також локалізовані вітрові моделі, зумовлені впливом різниці температур між сушею та морями, або горами та долинами.

Дані про швидкість вітру можна отримати з карт вітру або в метеорологічній службі. На жаль, загальна доступність та надійність даних про швидкість вітру вкрай низькі в багатьох регіонах світу. Однак у значних районах світу середня швидкість вітру перевищує 3 м/с, що робить використання вітрових насосів економічно привабливим варіантом. Важливо отримати точні дані про швидкість вітру для відповідного місця, перш ніж приймати будь-яке рішення щодо його придатності. Методи оцінки середньої швидкості вітру можна знайти у відповідних текстах (див. розділ «Посилання та ресурси» в кінці цього інформаційного листа). Потужність вітру пропорційна:

• територія вітряка, що зноситься вітром
• куб швидкості вітру
• щільність повітря, яка змінюється з висотою

Формула, яка використовується для розрахунку потужності вітру, наведена нижче:

P _W = ½ ρ AV ³

де,

P _W – потужність у ватах, доступна у вітровій енергетиці (Вт)

ρ – густина повітря в кілограмах на кубічний метр (кг/ ^м³ )

A – площа обертання ротора в квадратних метрах ( ^м² )

V – швидкість вітру в метрах за секунду (м/с)

Той факт, що потужність пропорційна кубу швидкості вітру, є дуже важливим. Це можна продемонструвати, вказавши, що якщо швидкість вітру подвоюється, то потужність вітру збільшується у вісім разів! Тому варто знайти місце з відносно високою середньою швидкістю вітру.

Вітер у вати

Хоча наведене вище рівняння потужності дає нам потужність вітру, фактична потужність, яку ми можемо отримати з вітру, значно менша, ніж показує цей показник. Фактична потужність залежатиме від кількох факторів, таких як тип машини та ротора, що використовуються, складність конструкції лопатей, втрати на тертя, втрати в насосі або іншому обладнанні, підключеному до вітрової машини, а також існують фізичні обмеження щодо кількості енергії, яку реально можна отримати з вітру. Теоретично можна показати, що будь-який вітряк може отримати максимум 59,3% енергії вітру (це відомо як межа Беца). Насправді, для вітрового насоса цей показник зазвичай становить від 30% до 40%, а для великої турбіни, що виробляє електроенергію, - максимум 45% (див. розділ про коефіцієнт корисної дії нижче).

Отже, модифікуючи формулу для «Потужність вітру», ми можемо сказати, що потужність, яку виробляє вітрова машина, може бути задана за формулою:

P _M = ½C _p ρAV ³

де,

P _M – потужність (у ватах), доступна машиною

C _p – коефіцієнт корисної дії вітрової машини

Також варто пам’ятати, що вітрова машина працюватиме з максимальною ефективністю лише протягом частини часу своєї роботи через коливання швидкості вітру. Приблизну оцінку потужності вітрового насоса можна отримати за допомогою наступного рівняння;

P _A = 0,1 AV ³

де P _A – середня вихідна потужність у ватах за рік, V – середньорічна швидкість вітру в м/с.

Принципи перетворення енергії вітру

Існує два основних фізичних принципи, за допомогою яких енергію можна витягти з вітру; це створення або підіймальної сили, або сили опору (або ж їх поєднання). Різниця між опором і підіймальною силою ілюструється різницею між використанням спінакерного вітрила, яке наповнюється як парашут і тягне вітрильний човен за вітром, та бермудського такелажу – відомого трикутного вітрила, яке відхиляється за вітром і дозволяє вітрильному човну рухатися впоперек вітру або трохи проти вітру. Сили опору забезпечують найочевидніший засіб руху, це сили, які відчуває людина (або об'єкт), що піддається впливу вітру. Підіймальні сили є найефективнішим засобом руху, але, будучи більш тонкими, ніж сили опору, не так добре вивчені. Основні характеристики, що характеризують підіймально-опірну силу:

• опір спрямований у напрямку потоку повітря
• підйомна сила перпендикулярна напрямку потоку повітря
• Генерація підйомної сили завжди викликає певний опір
• з хорошим аеродинамічним профілем підйомна сила може бути більш ніж у тридцять разів більшою за опір
• підйомні пристрої, як правило, ефективніші, ніж тягові пристрої

Типи та характеристики роторів

Існує два основних сімейства вітрових машин: машини з вертикальною віссю та машини з горизонтальною віссю. Вони, у свою чергу, можуть використовувати підйомну силу або силу опору для керування вітром. Підйомний пристрій з горизонтальною віссю є найпоширенішим типом. Фактично, за винятком кількох експериментальних машин, практично всі вітряки належать до цієї категорії.

Існує кілька технічних параметрів, які використовуються для характеристики роторів вітряків. Коефіцієнт кінцевої швидкості визначається як відношення швидкості кінців ротора вітряка до швидкості вільного вітру. Гальмівні пристрої завжди мають коефіцієнти кінцевої швидкості менше одиниці і тому обертаються повільно, тоді як підйомні пристрої можуть мати високі коефіцієнти кінцевої швидкості (до 13:1) і тому швидко обертаються відносно вітру. Частка потужності вітру, яку може витягти ротор, називається коефіцієнтом корисної дії (або коефіцієнтом потужності або ККД; символ Cp ₎ , і його зміна як функції коефіцієнта кінцевої швидкості зазвичай використовується для характеристики різних типів роторів. Як згадувалося раніше, існує верхня межа Cp ₌ 59,3%, хоча на практиці реальні вітрові ротори мають максимальні значення Cp _у діапазоні 25%-45%.

Жорсткість зазвичай визначається як відсоток площі ротора, яка містить матеріал, а не повітря (див. рисунки 1 та 2 нижче). Машини з високою жорсткістю переносять багато матеріалу та мають грубі кути нахилу лопатей. Вони генерують набагато більший пусковий крутний момент (крутний момент - це сила скручування або обертання, що створюється ротором), ніж машини з низькою жорсткістю, але за своєю суттю менш ефективні, ніж машини з низькою жорсткістю. Вітряний насос зазвичай належить до такого типу. Машини з низькою жорсткістю, як правило, використовуються для виробництва електроенергії. Машини з високою жорсткістю матимуть низьке співвідношення швидкості наконечника і навпаки.

Вибір ротора значною мірою визначається характеристиками навантаження, а отже, кінцевим використанням. Деякі поширені типи роторів та їхні характеристики наведено в таблиці 1 нижче.

Відкачування води

Зіставлення ротора та насоса

Під час встановлення вітрового насоса важливо узгодити характеристики насоса та вітрової машини. Хороша взаємодія між насосом і ротором є надзвичайно важливою. Найпоширенішим типом насоса, що використовується для перекачування води (особливо для перекачування води зі свердловин) разом з вітровим насосом, є поршневий насос. Поршневий насос, як правило, потребує високого крутного моменту під час запуску, оскільки під час запуску ротор повинен забезпечувати достатній крутний момент, щоб подолати вагу штоків насоса та води у водопроводі - як тільки ротор обертається, необхідний крутний момент зменшується через імпульс обертового ротора. Швидкість вітру може потім впасти приблизно до 2/3 від пускової швидкості вітру, перш ніж вітровий насос зупиниться.

Іншими поширеними типами насосів, що використовуються для вітрових насосів, є прогресивний винтовий або «моно» насос та відцентровий насос. Обидва мають переваги за певних обставин, але обидва також, як правило, дорогі та рідше використовуються.

На рисунку 3 показано типовий приклад сучасного багатолопатевого вітрового насоса. Висока міцність означає високий пусковий та робочий крутний момент, а також низьку робочу швидкість, що є бажаним для використання з поршневим насосом.

Очевидно, що важливо узгодити потребу в перекачуванні води з наявною силою вітру та, отже, визначити відповідний розмір ротора. Щоб розрахувати потребу, нам потрібно знати такі дані:

• Напір, до якого має перекачуватися вода – у метрах
• об'єм води, що перекачується за день - у кубічних метрах

Для води на рівні моря приблизну потребу в енергії можна розрахувати за допомогою наступного рівняння:

E = 0,002725 x об'єм x напір (у кіловат-годинах)

Зазвичай висота подачі води може коливатися від кількох метрів до 100 м (а іноді й більше), тоді як необхідний об’єм води може варіюватися від кількох кубічних метрів на день для побутового використання до кількох сотень кубічних метрів для зрошення.

Анатомія вітрового насоса

Свердловина є найпоширенішим джерелом води, з якого вітровий насос бере воду. Класичний багатолопатевий фермерський вітровий насос має поршневий насос, який перекачує воду до піднятого резервуара для зберігання. Існує багато інших можливих конфігурацій, залежно від характеру джерела води та потреб. Ці машини мають діаметр ротора від 1,5 до 8 метрів, але рідко перевищує 4 або 5 метрів. Потужність передається від ротора до штанг насоса через систему зубчастих передач або через механізм прямого приводу. Рух штанг насоса змушує насос піднімати воду до резервуара. Потім вода може подаватись у розподільчу мережу з резервуара. Функція хвостової лопаті полягає в тому, щоб утримувати ротор орієнтованим за вітром. Більшість вітрових насосів мають хвостову лопатку, яка призначена для автоматичного згортання (повороту машини проти вітру) за високих швидкостей вітру, щоб запобігти пошкодженням.

Вітрогенератори з електрикою

Хоча багатолопатевий вітровий насос є найпоширенішим вітровим насосом, це не єдиний доступний варіант. Іншим варіантом, особливо там, де є потреба розташовувати насос віддалено від вітрової установки, є використання аерогенератора для забезпечення електроенергією електричного насоса. Хоча вони, як правило, дорожчі, мають перевагу в тому, що електроенергію можна використовувати для інших цілей, коли насос не перекачується, а також її можна накопичувати в акумуляторах для використання, коли швидкість вітру недостатня для прямого електропостачання.

Інші проблеми

Місцеве виробництво

Вітрові насоси виробляються невеликими партіями в різних країнах світу. Є виробники, що виробляють вітрові насоси на експорт у Європі, Австралії, Південній Африці та США, але також є комерційні підприємства в країнах, що розвиваються, які виробляють вітрові насоси. Один з таких виробників, RIIC (Центр сільської промисловості та інновацій), згаданий нижче.

Протягом останніх кількох десятиліть було реалізовано кілька проектів з метою передачі технології вітрових насосів виробникам на Півдні, і в цьому досягнутий певний успіх. Однією з таких історій успіху є вітрові насоси Kijito [1] (див. рисунок 3), виготовлені в Кенії. Цей вітровий насос був спочатку розроблений Групою розвитку проміжних технологій – ITDG (тепер відомою як Practical Action), що базується у Великій Британії, спільно з Bobs Harries Engineering Ltd. (BHEL), Кенія. BHEL додатково вдосконалила конструкцію Kijito і наразі виробляє близько 25 вітрових насосів на рік з потужністю до 50 машин.

Володіння, використання, обслуговування та вплив на навколишнє середовище. Точка зору користувача – Вітрові насоси в Ботсвані. У Ботсвані було проведено опитування власників/користувачів вітрових насосів. Метою було визначити власність, закупівлю та встановлення, використання, вплив на навколишнє середовище та просування вітрових насосів. Опитування показало, що 54% вітрових насосів належать домогосподарствам, а 23% – фермерським групам або синдикатам. Решта (23%) належала громаді. Більшість вітрових насосів (85%) були придбані, а решта – пожертвовані. П'ятдесят шість відсотків респондентів придбали вітрові насоси або залучили гроші в банках для їх придбання, тоді як 18% використали групові внески. Більшість респондентів придбали вітрові насоси у RIIC, місцевого постачальника. Встановлення вітрових насосів було виконано RIIC у 69% випадків, а власниками та іноземними дилерами – у 23% та 8% відповідно. Дев'яносто два відсотки респондентів вважали, що встановлення було виконано задовільно. У 39% випадків оператори пройшли навчання у постачальника, а решта навчалися самостійно (31%) або у місцевих техніків (8%).

Усі респонденти зазначили, що вітрові насоси використовуються для перекачування води для худоби, а також для зрошення та побутових потреб. Дев'яносто два відсотки респондентів вважали, що вітровий насос значно покращив їхнє водопостачання. Вісімдесят чотири відсотки вважали, що вітрові насоси задовольняють потреби громади у воді. Тридцять один відсоток повністю залежить від вітрових насосів для перекачування води, тоді як 69% мають інші системи. Респонденти сприймають вітрові насоси як хорошу технологію головним чином тому, що вони дешевші у використанні. Однією з проблем, пов'язаних з використанням вітрових насосів, є висока частота поломок. Сорок шість відсотків вказали, що вони ламаються раз на рік, 31% двічі на рік і 23% більше трьох разів на рік. Капітальний ремонт виконувався RIIC (54%), місцевими техніками (8%) або їх комбінацією (8%).

У дослідженні також вивчалося сприйняття респондентами впливу використання вітрових насосів на навколишнє середовище. Більшість (85%) вважали, що вітрові насоси покращують краєвид, тоді як 15% сказали, що вони не мають жодного значення. Про жодний негативний вплив не повідомлялося. Також 92% респондентів вважали, що шум від вітрових насосів не є неприємністю. Респонденти вважали, що впровадження технології вітрових насосів стримується такими факторами, як відсутність відповідної політики, недостатня обізнаність про технологію, висока вартість обслуговування та неадекватні вітрові режими.

Джерело: Mosimanyane та ін., 1995 (цит. у Karekezi & Ranja 1997)

Посилання та ресурси

• П. Френкель, Р. Барлоу, Ф. Крік, А. Деррік та В. Бокалдерс: Вітрові насоси – посібник для працівників сфери розвитку. ITDG Publishing, 1993
• Девід, А. Спера: Технологія вітрових турбін, фундаментальні концепції вітрової турбіни. ASME Press, 1994
• Е. В. Голдінг: Виробництво електроенергії за допомогою енергії вітру. Redwood Burn Limited, Троубрідж, 1976
• Х'ю Піггот: Майстерня з вітроенергетики, будівництво власної вітрової турбіни. Центр альтернативних технологій, 1997
• С. Карекезі та Т. Ранджа: Технології відновлюваної енергії в Африці. АФРЕПРЕН / СЕІ, 1997
• К. Борг та Х. Оден: Вітряний насос Kijito – приватна ініціатива у сфері водопостачання сільської місцевості Кенії, магістерська дисертація, Технологічний університет Чалмерса, Гетеборг, 1995
• Пол Т. Смолдерс та Ян де Йонг: Вітрова енергетика: стан, перспективи та бар'єри, стаття, Відновлювана енергетика, том 5, частина 1, с. 587-594, 1994

Виробники

Примітка: Це вибірковий список постачальників і не означає схвалення з боку Practical Action.

Дані сторінки

Частина	Технічні брифи з практичних дій
Ключові слова	вітровий насос , перекачування , енергія вітру
Цілі сталого розвитку
Автори	Курт Бекманн
Ліцензія	CC-BY-SA-3.0
Організації	Практичні дії
Перенесено з	https://practicalaction.org/ ( оригінал )
Мова	Англійська (en)
Переклади	Турецька , арабська , польська , італійська
Пов'язані	4 підсторінки , 77 сторінок посилання тут
Перенаправлення	Вітряний насос , Вітряні насоси
Перегляди	3041 переглядів сторінок ( аналітика )
Створено	1 січня 2007 року , автор Курт Бекманн
Остання редакція	4 квітня 2025 року, автор: бот StandardWikitext
Цитувати як	Курт Бекманн (2007–2025). «Практична дія/Вітрові насоси» . Appropedia . Отримано 12 липня 2025 року .
Запити API	базові , семантичні , html , файли , більше