Актуальность решения этой проблемы связана с установкой вышек сотовой связи с автономным питанием в труднодоступных районах.

Целью данной работы является проектирование и исследование опытного образца и последующее создание промышленного варианта ветрового электрогенератора (ВЭГ) с вертикальной осью вращения для обеспечения энергией вышек сотовой связи.

Задачи работы:

- провести сравнительный анализ с существующими ВЭГ и рассмотреть возможность обеспечения вышки сотовой связи другими альтернативными источниками получения энергии;

- разработать структурную схему ВЭГ;

- выполнить расчёт энергетического баланса;

- выполнить расчет геометрических параметров основных функциональных устройств, входящих в ВЭГ;

- выполнить анализ проведённых расчётов и осуществить выбор рекомендуемых исходных данных для проектирования опытного и промышленного образца ВЭГ;

- определить технические характеристики ВЭГ;

- определить технические параметры оборудования, входящего в состав установки;

- провести проектирование, изготовление и исследование сначала опытного, а затем промышленного образцов ВЭГ.

Проведённый анализ развития ветроэнергетики в мире показал, что ветроэнергетика использует для выработки энергии кинетическую энергию ветра, которая в 80 раз превышает совокупное энергопотребление населением Земли. Это говорит о том, что энергия ветра может стать потенциальной альтернативой в частичном замещении традиционных источников выработки электроэнергии. Согласно оценкам Всемирной ветроэнергетической ассоциации (WWEA), в 2010 году установленная мощность ветроэнергетических установок (ВЭГ) в мире составит порядка 160 ГВт.

Ветроэнергетика является одним из наиболее быстро растущих секторов энергетики, в том числе в секторе возобновляемых источников. За последние 10 лет средние темпы роста мировой установленной мощности ВЭГ равнялись примерно 29% в год, а на конец 2006 года установленная мощность составила порядка 74 ГВт или около 1,85% от совокупной установленной мощности объектов генерации электроэнергии (порядка 4 тыс. ГВт).

Совокупный потенциал генерации электроэнергии с использованием энергии ветра на территории России оценивается в 80000 млрд. кВт/ч в год. Технический потенциал сопоставим по величине с совокупным и составляет 6218 млрд. кВт/ч в год.

Проведённый сравнительный анализ с существующими ВЭГ, а также с другими альтернативными источниками получения энергии для обеспечения вышек сотовой связи показал перспективность использования вихревых ВЭГ с вертикальной осью. Это связано с низкой стартовой скоростью, отсутствием вибраций, бесшумной работой, высокотехнологичным изготовлением, сборкой и современным дизайном.

Выполненные энергетические и аэродинамические расчёты позволили спроектировать опытный образец ВЭГ, разработать технологию его изготовления, оценить параметры и определить конструкцию последующего промышленного образца.

Полученные результаты расчета представлены в виде графических зависимостей мощности на валу турбины от диаметра на входе в профилированный канал направляющего воздуховода и от скорости ветра на входе в направляющий воздуховод. А также зависимостей оборотов турбины от скорости ветра и расхода воздуха от скорости для получения электрической мощности 5 кВт.

Выполнено профилирование проточной части подводящего канала, рабочего колеса турбины и профилирование лопаток рабочего колеса в трех сечениях. Проведён подбор инвертора и аккумуляторов.

Найден срок окупаемости установки для вышек сотой связи с потребляемой электрической мощностью равной 5 кВт., составляющий 2,7 – 3,0 года.

Для использования солнечной энергии применяются солнечные батареи. Их эффективность определяется количеством солнечной энергии, попадающей на единицу площади солнечной панели, то есть инсоляцией. которое попадает на квадратный метр поверхности земли в течение суток. Зная уровень солнечной инсоляции в конкретном регионе, можно определить целесообразность использования солнечных панелей в данном регионе. Ниже представлена карта инсоляции России [1].

Рисунок 1. Карта инсоляции России.

Таким образом лучше всего использовать солнечные станции в регионах с наибольшей продолжительностью солнечного сияния. К ним относятся Краснодарский край, Ростовская обл., Республика Дагестан, Ставропольский край, Астраханская обл., Волгоградская обл., Саратовская обл., Самарская обл., Оренбургская обл., Челябинская обл., Курганская обл., Омская обл.,  Новосибирская обл., Республика Алтай, Алтайский край, Республика Тыва, Республика Бурятия, Забайкальский край, Амурская область, Приморский край, Хабаровский край, Республика Саха и Магаданская обл.

Ветроэнергетика подразумевает преобразование кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую энергию. Такое преобразование осуществляется с помощью ветрогенератора. К достоинствам ветровой энергетики относятся: экологичность, эргономика (ветровые электростанции занимают совсем немного места), возобновляемость. Так же ветровая энергетика – лучшее решение для труднодоступных мест. Для удалённых мест установка ветровых электрогенераторов может быть лучшим и более дешёвым решением.

Технический потенциал ветровой энергии России оценивается в более чем 40 млрд. кВт/ч электроэнергии в год. Развитие ветровой энергетики в России рассматривается в рамках правительственной программы использования возобновляемых источников энергии и является одним из важных направлений развития российской электроэнергетики. Мощность, которую развивает ветрогенератор, в первую очередь зависит от скорости ветра в месте установки. Воспользуемся атласом ветров А.Н. Старкова [2].

В данном атласе впервые осуществлено построение Ветрового атласа России с использованием следующих данных: статистики распределения ветра по 8-16 направлениям в течение 10-15 лет от 332, метеостанций России; информации о расположении станций, высоте и типе анемометров; цифровых карт местности. Таким образом, в соответствии с данными Атласа ветров России наиболее перспективными с точки зрения развития ветроэнергетики являются следующие: Ставропольский край, Мурманская обл., Мордовия, Чувашия, Марий Эл, Ростовская обл., Калмыкия, Челябинская обл., Курганская обл., Омская обл., Новосибирская обл., Алтайский край, Приморский край, Хабаровский край, Магаданская обл., Камчатский край, Ненецкий АО, Ямало- Ненецкий АО, Красноярский край, Чукотский АО, Сахалинская обл.

То есть особой концентрацией ветропотенциала отличаются побережья Тихого и Арктического океанов, предгорные и горные районы Кавказа, Урала, Алтая, Саян.

Совместное использование солнечной и ветроэнергии возможно в Саратовской области, Челябинской области, Оренбургской области, Алтайском крае, Республике Бурятия, Приморском крае, Хабаровском крае, Магаданской области.

Можно сделать вывод, что с учётом имеющейся энергетической системы и инфраструктуры, солнечные и ветроэлектростанции можно использовать для снабжения энергией труднодоступных населенных пунктов, к которым не выгодно вести линию от имеющейся энергосистемы. Это даст толчок в развитии этих районов. Так же солнечные и ветроэлектростанции можно использовать как резервный источник энергии в развитых районах России.