| dc.relation.references | енергії. За даними огляду [3], у США встановлена потужність МВТ зросла до 150 МВт у 2018 році, тоді як у Бразилії цей показник становить лише 0.4 МВт, що вказує на значний потенціал зростання в країнах, що розвиваються [3]. Таблиця 1 демонструє еволюцію встановленої потужності МВТ у різних країнах з 2013 по 2018 рік, де Китай лідирує з 573.57 МВт, а глобальний кумулятивний показник сягає 1726.71 МВт. Ці дані підкреслюють, що МВТ потужністю до 100 кВт ідеально підходять для розподіленої генерації, зменшуючи втрати на передачу енергії та підвищуючи енергетичну незалежність домогосподарств і ферм. Таблиця 1 – Динаміка встановленої потужності (МВт) та сумарної встановленої потужності малих вітрових турбін (МВТ) у різних країнах (2013–2018 рр.) Країна Встановлена потужність до 2012 року, МВт 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Сумарна встановлена потужність до 2018 р., МВт Бразилія 0,00 0,03 0,02 0,11 0,04 0,11 0,09 0,40 Китай 280,01 72,25 69,68 48,60 45,00 27,27 30,76 573,57 Німеччина 24,55 0,02 0,24 0,44 2,25 2,25 1,00 30,75 Південна Корея 2,99 0,01 0,06 0,09 0,79 0,08 0,06 4,08 Велика Британія 77,98 14,71 28,53 11,64 7,73 0,39 0,42 141,40 США 130,73 5,60 3,70 4,30 2,43 1,74 1,50 150,00 Інші країни 626,80 8,65 17,59 16,04 63,30 80,85 13,28 826,51 Усього у світі 1143,06 101,27 119,82 81,22 121,54 112,69 47,11 1726,71 Сумарно (глобально) 1143,06 1244,33 1364,15 1445,37 1566,91 1679,60 1726,71 1726,71 Технологічні аспекти МВТ включають різні типи роторів та генераторів, адаптованих до низькошвидкісних вітрів. Згідно з [4], горизонтальні ротори з пропелерними лопатями забезпечують високу ефективність у середніх вітрах, тоді як вертикальні ротори типу Darrieus та Savonius краще працюють у турбулентних умовах, типових для урбанізованих зон [4]. Рисунок 1 ілюструє еволюцію технологій вітроенергетики від механічної до електричної енергії, підкреслюючи перехід до мініатюрних, самозабезпечених систем для IoT. Формула потужності вітру P = (1/2)Av, де густина повітря, A - площа обметання, v - швидкість вітру, є базовою для аналізу [1]. У дизайні лопатей використовується теорія елементів лопаті, де коефіцієнт потужності Cp досягає максимуму 0.59 за лімітом Бетца, але для МВТ він нижчий через низькі числа Рейнольдса [1]. У США, за даними [5], встановлена потужність розподіленої вітроенергетики сягнула 1110 МВт з 2003 по 2023 рік, з яких 2.3 МВт у 2023 році припадає на МВТ до 100 кВт [5]. Ринок демонструє тенденцію до зниження витрат: середня вартість встановлення зменшилася до 7370 $/кВт у 2023 році. Бар'єри впровадження включають високі витрати порівняно з сонячними панелями, турбулентність у міських зонах та нестабільні політики [2]. Рисунок 1 – Віхи розвитку технології використання вітрової енергії в контексті продуктивних революцій Таблиця 2 Зведення бар'єрів для вітрових турбін у забудованому середовищі Сфери Безпека Вітровий ресурс Технологія турбін Взаємодія з будівлями Нетехнічні перешкоди Бар'єри Вплив середовища з високим рівнем втоми на термін служби ВТЗС є недостатньо вивченим. ВТЗС бракує наступних функцій безпеки: надмірність гальмування; відмовостійкі функції; захист від обмерзання; та стримування відкидання частин. Наступні аспекти вітрового ресурсу в забудованому середовищі є недостатньо вивченими: турбулентність та мінливість напрямку; спутні сліди, вихори та зони відриву; тривимірний профіль швидкості вітру; та розподіл. Існуючі карти вітрових ресурсів не відповідають забудованому середовищу. Наступні аспекти технології турбін у забудованому середовищі є недостатньо вивченими: стратегії керування для зменшення вібрації та шуму; вимірювання навантажень та швидкості відхилення (рискання). Стандарти проєктування та випробувань для ВТЗС (особливо для середовищ із високим рівнем втоми) відсутні. Резонансні частоти (пов'язані вібрації будівля-турбіна) недостатньо вивчені. Дотримання будівельних норм є складним (більшість норм не стосуються ВТЗС; існуючі норми додають значної невизначеності; можуть застосовуватися додаткові вимоги до зонування та дозволів). Механічна та електрична інтеграція є дорогою та складною. Існують небезпеки для персоналу, який встановлює та обслуговує ВТЗС. Потрібна інформаційно-просвітницька робота, оскільки достовірна інформація про ВТЗС обмежена. Економічні показники (вартість проєкту та рентабельність інвестицій) є непередбачуваними. Застосування МВТ у IoT охоплює транспорт, урбанізовані зони, розумне сільське господарство та самозабезпечені датчики вітру. Основні механізми генерації: електромагнітні, п'єзоелектричні та трибоелектричні наногенератори, які дозволяють збирати енергію від низькошвидкісних вітрів для живлення сенсорів [4]. Рисунок 2 ілюструє інтеграцію МВТ з IoT для низькопотужних пристроїв, зменшуючи залежність від батарей. У транспорті МВТ використовуються для живлення моніторингу на залізницях і автошляхах, де потужність сягає до 738 Вт при 18 м/с [4]. Джерело [2] підкреслюють виклики: покращення конверсії енергії в турбулентних умовах, прогнозування довгострокової продуктивності та економічна життєздатність. Формула LCOE враховує витрати на встановлення, експлуатацію та коефіцієнт потужності, який для МВТ становить 13-21% [5]. Діаграми в [1] показують криві підйомної сили та опору для профілів лопатей, таких як NACA, що є ключовими для дизайну в децентралізованих системах. Політики стимулювання відіграють ключову роль у розширенні ринку МВТ. У США федеральний податковий кредит (ITC) на 30% для систем до 100 кВт, гранти USDA REAP та програми сертифікації AWEA сприяли зростанню експорту до 5.5 МВт у 2017 році [3]. Таблиця 3 порівнює тарифи на ввід (feed-in tariffs) у різних країнах, де США пропонують 0.13 $/кВтгод для деяких штатів, що стимулює децентралізовану генерацію. Бар'єри, такі як нестабільні політики та конкуренція з сонячною енергією, призвели до скорочення кількості виробників з 13 у 2021 до 8 у 2023 [5]. Рисунок 2 Розгортання малих вітрових турбін як важливого та здійсненого заходу для задоволення енергетичних потреб малопотужних IoT-пристроїв Таблиця 3 – Тарифи на «зелений» тариф для малих вітрових електростанцій (обрані країни) Країна/Регіон Тайвань (Китай) Обмеження за потужністю EUR/кВтгод 1–10 кВт 0.185 Канада – – Онтаріо < 10 кВт 0.074 Нова Шотландія < 50 кВт 0.332 < 30 кВт 0.220 Автономні системи Кіпр Греція Італія Ізраїль Країна/Регіон Японія Обмеження за потужністю EUR/кВтгод < 20 кВт 0.418 20 кВт 0.167 < 10 кВт 0.095 10–350 кВт 0.092 Португалія < 3.68 кВт 0.432 0.190 Словенія < 50 кВт 0.095 < 50 кВт 0.250 Швейцарія < 10 кВт 0.247 > 50 кВт 0.090 Велика Британія < 100 кВт 0.207 Автономні системи 0.100 США – – Литва 1–20 кВт 0.285 Індіана 5–100 кВт 0.130 20–200 кВт 0.262 Гаваї < 20 кВт 0.123 0.2–1.0 МВт 0.146 20–100 кВт 0.105 < 15 кВт 0.250 < 15 кВт 0.181 Вермонт У Бразилії великий вітровий потенціал не використовується для МВТ через фокус на великих фермах, але досвід з США може допомогти: впровадження сертифікації, фінансових стимулів та мапування ресурсів [3]. Застосування в IoT, включає гібридні системи для самозабезпечених сенсорів, де потужність сягає 19.24 мВт при 6.5 м/с [4]. Рисунок 3 демонструє архітектуру SWT для IoT, з фокусом на ректифікацію, конверсію та використання енергії. У 2023 році глобальний ринок МВТ зріс на 11.45%, з потенціалом до 190 млн дол. до 2025 [2]. Рисунок 3 Архітектурна основа для огляду МВТ для IoT-додатків Висновки Використання малих вітротурбін для децентралізованого енергопостачання є перспективним шляхом до стійкої енергетики, зменшуючи залежність від централізованих мереж та сприяючи переходу до низьковуглецевої економіки. Результати досліджень показують, що МВТ ефективні для IoT-застосувань у транспорті, урбанізованих зонах та сільському господарстві, залежно від вітрових умов [4,5]. Бар'єри, такі як високі витрати та турбулентність, можуть бути подолані через політики стимулювання, подібні до США, включаючи податкові кредити та сертифікацію [3,2]. Для України, з її значним вітровим потенціалом, рекомендації включають мапування ресурсів, розвиток гібридних систем та інтеграцію з IoT для моніторингу [1]. Загалом, МВТ сприяють енергетичній незалежності, створюючи робочі місця та зменшуючи викиди, з глобальним потенціалом зростання до 1.8 ГВт [2]. СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ [1] David Wood — Small Wind Turbines: Analysis, Design, and Application, https://archive.org/details/David_Wood_Small_Wind_Turbines/page/n279/mode/2up [2] A. Bianchini et al., «Current status and grand challenges for small wind turbine technology» (Wind Energy Science, 2022), https://wes.copernicus.org/articles/7/2003/2022/ [3] C. C. M. Chagas et al., «From Megawatts to Kilowatts: A Review of Small Wind Turbines» (Sustainability / огляд, 2020) [4] H. Wang et al., «Small Wind Turbines and their potential for Internet of Things (IoT) applications» (review, 2023, PMC) [5] U.S. Department of Energy — Distributed Wind Market Report, https://www.energy.gov/eere/wind/distributed-wind-market-report | uk |
