Энергосберегающие технологии Системы теплоснабжения Развитие нетрадиционной энергетики Устройство ветроэлектрической установки Солнечные коллекторы Активные гелиосистемы отопления зданий. Геотермальная энергия

Уникальное изобретение в ветроэнергетике

Еще в 1928 г. Владимир Иванович Вернадский написал, что человечество становится «геологической силой», т. е. его влияние на процессы, происходящие на планете, соизмеримы с природными катаклизмами. По расчетам демографов, к 17 июля 1999 г. население нашей планеты составило шесть млрд человек.

Состояние цивилизации зависит от решения многих проблем. Но, решая любую из них, мы сталкиваемся с необходимостью решения проблемы энергетики. Вся история цивилизации, по сути, это история энергетики. Сегодня человечество впервые столкнулось с первым пределом – экологической емкостью среды обитания. Но планета предоставляет нам, как это ни парадоксально, практически неисчерпаемые источники энергии. Один из них – ветроэнергетика. Ресурсы ветровой энергии во много раз больше, чем все запасы биогенного топлива в земной коре, накопившиеся за миллионы лет. Мы живем на дне океана энергии. Пока существует планета и ее газовая оболочка, нагреваемая Солнцем, будет происходить перемещение воздушных масс.

К концу 1998 г. установленная мощность ВЭУ достигла в мире 8 600 МВт (в т.ч. в России – 28 МВт, или 0,3 %). Прогнозируется, что только в Европе мощность ВЭС достигнет к 2010 г – 40 тыс., а к 2020 г. – 100 тыс. МВт. А запасы ветровой энергии только в приземном слое над сушей определяются в 5,3x1010 МВт. Стоимость 1 КВт генераторной мощности традиционной ВЭУ с ветроколесом достигает 1200-1500 долл. США, что ниже, чем тепловые или атомные. Ветроэнергетика весьма интенсивно развивается в последние десятилетия. Общий подход к конструкциям энергетических ветроагрегатов прост: чем длиннее лопасть ветряка, тем больше ветровой энергии она может перехватить. Чем больше скорость ветра, тем больше его давление на лопасти и тем больше количество перехватываемой энергии. Именно поэтому конструируются все более крупные ветродвигатели и все более высокие башни, на которых их устанавливают.

Атомные электростанции с натриевым теплоносителем Жидкометаллический теплоноситель может использоваться в реакторах, как на тепловых, так и на быстрых нейтронах, в последнем случае коэффициент воспроизводства ядерного горючего больше единицы. Преимущество такого теплоносителя – возможность работы при низких давлениях (0,5 МПа) в первом контуре. Значительная в сравнении с водным и газовым теплоносителями плотность жидких металлов позволяет перекачивать малые объемы, т.е. уменьшать диаметр трубопроводов и расходы на собственные нужды, а также обеспечивать высокий коэффициент теплоотдачи от поверхности оболочки твэла к теплоносителю, что позволяет при той же температуре оболочки получать более высокие температуры теплоносителя. Пока для АЭС используется в качестве теплоносителя жидкий натрий, но рассматриваются и исследуются варианты использования эвтектических сплавов Na-K, Pb-Bi, а также Hg.

Все эти меры – увеличение размеров и прочности, введение дополнительных элементов и систем – снижают надежность и рентабельность традиционных ветроэнергетических энергоустановок (ВЭУ).

Группой российских специалистов (без государственного финансирования) разработан и запатентован новый, не имеющий аналогов, способ преобразования энергии воздушных потоков в электрическую. Одной из основных составляющих сопротивлению летательных аппаратов и транспорта, устойчивости зданий и сооружений является разрежение, создаваемое за объектом вследствие турбулентного обтекания его воздушным потоком. Причем для ракет это так называемое донное давление достигает нескольких килотонн.

Российские специалисты предприняли удачную попытку объединить эти якобы несовместимые явления – энергию набегающего потока и создаваемое им разрежение на донном срезе (за объектом).

Принципиальное отличие данной установки (рис. 3.2) от всех типов традиционных ветряков в том, что она обеспечивает использование обтекающих установку воздушных потоков (по крайней мере, в десять раз больших, чем максимальный диаметр установки) и их последовательное ускорение в многоступенчатой системе сопел Лаваля. В итоге достигается околозвуковая (!) скорость потока на лопатках турбины. Синергический эффект действия композиции потоков – внешнего и внутренних – многократно превышает суммарный эффект действия каждого потока в отдельности. Испытания экспериментальной установки подтвердили перспективность нового подхода. У разработанного нового вида ветряка много преимуществ перед традиционными ВЭУ, главные из которых – исключение динамических нагрузок на установку (нет ветроколеса) и расширение диапазона эффективно используемых скоростей воздушных потоков. Кроме того, и это принципиально важно, новая ВЭУ позволяет преобразовывать часть тепловой составляющей (энтальпии) воздушного потока в кинетическую энергию, а затем в электрическую. Реализуется более полное использование всей энергии потока. Это пока уникальное техническое решение. Как правило, новые изобретения более совершенны или, как говорят изобретатели, прототип по одному или двум-трем параметрам или элементам. В данном случае таких отличий много. Благодаря геометрической форме достигается возможность автоматической ориентации ветряка по направлению потока. Работа в мощных потоках со скоростью до 60 м/с. Высокая скорость вращения турбины позволяет применять высокооборотные электрогенераторы, весовые характеристики которых значительно лучше, чем используемые низкооборотные. Намного проще регулирование частоты тока, т. к. частота вращения турбины почти постоянная. Абсолютная безопасность в эксплуатации – турбина расположена внутри каналов установки. Долговечность конструкции в связи с отсутствием динамических нагрузок от больших вращающихся масс. Возможность создания установок единичной мощностью 30-50 МВт и их соединение в модули. Низкая удельная материалоемкость (в 5-6 меньше, чем у традиционных ВЭУ). Аэростатное исполнение позволяет получать энергию в любом месте, где она необходима. Отсутствует инфразвук, угнетающе действующий на биологические объекты. Реализация этого изобретения позволит, как надеются авторы, приступить к решению ряда проблем. Сокращение дефицита энергии. Обеспечение энергией отдаленных пользователей (побережья северных морей, пустыни, горы, острова и даже целый материк – Антарктида). Продвижение многих производств на новые территории и решение ряда социально-демографических проблем.

Совершенно новое конструктивное решение позволило использовать вредное явление – донное давление – как полезное. Все конструкторы, разрабатывая движущиеся в атмосфере устройства – автомобили, поезда, летательные аппараты, – стараются придать им выгодную аэродинамическую форму, а здесь с успехом используется самая невыгодная – конус. Пионерные изобретения, как правило, требуют нового оборудования, технологий, материалов, подготовки новых кадров, специального образования (вспомним появление радио, телевидения и др.). Для изготовления новой конструкции, нового устройства надо создавать новое производство. В данном же случае почти 100 % всего устройства может изготавливаться на существующих предприятиях практически без их модернизации. Таким образом, требуются исключительно невысокие капитальные вложения в производство новой энергетической установки. Расчеты показывают низкую себестоимость 1 КВт установленной мощности – не более 600 долл. (для сравнения – традиционные ВЭУ более 1000). Себестоимость 1 КВт часа вырабатываемой электроэнергии не более 0,01 долл.

Кроме патента, у авторов изобретения есть компьютерные расчеты моделей, подтвердившие качественные и количественные характеристики, а также заключения ряда крупных специалистов в области аэрокосмической техники о перспективности разработки. После помещения в Интернете информации о новшестве разработчикам поступило несколько сот запросов из разных стран мира, только из Канады несколько десятков.

Рис. 3.2. ВЭУ

На рисунке обозначено: 1,8 – направление ветра; 2 – воздухозаборное поворотное устройство; 3,6 – воздуховоды; 4 – корпус; 5 – турбогенера­тор; 7 – выходные устройства

На первый взгляд ветер кажется самым доступным из возобновляемых источников энергии. В самом деле, он вполне «работоспособен» на юге и на севере, зимой и летом, днем и ночью, в дождь и туман. Однако это очень рассеянный энергоресурс. Природа не собрала ветры в каких-то отдельных «месторождениях», подобно горючим ископаемым. И не пустила их течь по руслам, подобно рекам. Всякая движущаяся воздушная масса «размазана» по огромной территории. Правда, рассеянность, малая концентрация характерна и для солнечной энергии. Но с ветром еще хуже.

Его основные параметры – скорость и направление – меняются гораздо быстрее, в более широких пределах и совершенно непредсказуемо. В итоге по надежности он почти везде уступает Солнцу. Отсюда и вытекают две главные проблемы проектирования ветроэнергетических установок (ВЭУ).

Во-первых, с учетом рассеянности ветра стремятся «снимать» его кинетическую энергию с максимальной площади. Что имеется в виду? Для ВЭУ обычной конструкции (ветровое колесо на горизонтальной оси) – это площадь круга, который описывают лопасти при вращении; у специалистов она называется ометаемой площадью (ОГО). Отсюда вроде бы следует, что диаметр колеса (длину лопастей) надо всячески наращивать. И действительно: известны проекты гигантских ВЭУ с диаметром ветроколеса до 120 м. Но для таких габаритов сильные ветры, в принципе более «выгодные», становятся уже нежелательными – из соображений безопасной эксплуатации. К тому же, рассчитывая прочность, тут приходится дополнительно страховаться даже от маловероятных ураганных порывов и тем еще больше перетяжелять громоздкую конструкцию. Путь явно тупиковый.

Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока на лопастях. Ведь в конечном счете качество электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, определяется именно стабильностью момента вращения и угловой скорости на валу ее генератора. Но если предыдущая проблема решается хотя бы до известного предела, то эта пока не решается никак. Общий вывод, видимо, ясен: нужна установка принципиально новой конструкции. Нащупать подходы к ней помогут несложные математические изыскания. Посмотрим, от каких основных параметров зависит энергетическая эффективность ВЭУ. Как известно, кинетическая энергия движущегося тела

W = mV∙V/2. (3.1)

Если речь идет о воздушном потоке, то V, естественно, и есть его скорость. С массой чуть сложнее. В данном случае берется масса объема воздуха, проходящего через ОП в единицу времени. Значит,

m = pSV, (3.2)

где р – плотность воздуха, S – ОП, V – та же скорость ветра.

И тогда исходное выражение принимает вид

W = (pSV∙V∙V)/2. (3.3)

Это величина энергии в единицу времени, по сути – мощность. Итак, значение определяется двумя переменными – S и V. Как в принципе можно ее увеличить? Если за счет S, то придется смириться с неизбежным ростом габаритов и массы ВЭУ (см. выше).

Но из полученной формулы виден и другой порок такого «лобового» подхода: ОП связана с площадью прямо пропорционально, линейно. Зато влияние скорости V гораздо сильнее – зависимость тут уже кубическая. Насколько важна эта разница, поясним на примере.

Допустим, нам удалось каким-то путем удвоить величину V. Понятно, что мощность воздушного потока на лопастях возрастет в 8 раз. И если теперь мы решим сохранить прежнюю мощность установки, то сможем соответственно уменьшить ОП ветрового колеса. Тогда его диаметр (то есть, в первом приближении, и остальные линейные размеры ВЭУ) сократился бы в 2,83 раза (). Если же сумеем увеличить V втрое, выиграем в габаритах более чем в 5 раз () и т.д. Ускорить ветер нетрудно: нужно загнать его в некое подобие аэродинамической трубы, попросту говоря – в сужающийся канал. В нем, как известно, скорость потока растет обратно пропорционально площади сечения. А общий коэффициент ускорения равен отношению площадей входного и выходного отверстий. Даже для обычных ВЭУ уже разработаны подобные устройства – так называемые конфузоры, или дефлекторы. Смысл их применения в том, что они собирают ветер с гораздо большей площади, чем ОП.

Но почему, ступив на верный путь, конструкторы не пошли по нему дальше? Сделаем входное сечение конфузора переменным – и сразу решим ту, «нерешаемую», проблему – поддержания постоянной скорости потока на лопастях независимо от капризов ветра! Проще всего тут применить поворотное воздухозаборное устройство (ВУ). Легко понять, что его эффективное сечение максимально в направлении «фордевинд» и уменьшается при отклонении в любую сторону. Причем такое ВУ способно ловить ветер со всех румбов, и потому остальные элементы можно сделать неподвижными смонтировать прямо на земле, что гораздо удобнее. Так родилась у автора конструкция установки, изображенная на схеме (патент РФ М9 1783144). Главное ее отличие – мощный «ветроускоритель»: ряд воздуховодов с полноповоротными ВУ на концах, сходящихся в общий конфузор и далее в рабочий канал. Каких же скоростей достигает там воздушный поток? Ясно, что это зависит от отношения двух величин: суммарного эффективного сечения всех ВУ на входе и сечения рабочего канала – на выходе. Пусть диаметр одного ВУ всего втрое превышает диаметр канала, а площадь соответственно – в девять раз. Тогда, скажем, при пяти ВУ общий коэффициент ускорения равен 45. Правда, мы не учли турбулизацию воздушных потоков в системе и ее общее аэродинамическое сопротивление, но для первичной оценки такой расчет правомерен. А это значит, что самый обычный, умеренный ветер (5 м/с) порождает в канале сверхураган в 225 м/с! Напомним, что по шкале Бофорта ураганным считается ветер со скоростью – 12 м/с. Выходит, обычное ветровое колесо тут уже не годится: его лопасти просто не выдержат такого напора. Нужна настоящая турбина, с лопатками иной формы, гораздо меньшего размаха и более прочными, т. е. типа авиационная. Подобное устройство намного эффективнее использует аэродинамическую энергию воздушного потока. Здесь он ограничен стенками рабочего канала, сечение которого почти полностью перекрыто лопатками. В результате общий КПД установки должен заметно возрасти по сравнению с обычной, горизонтально-осевой.

Не забудем только, что аэродинамический поток, вырвавшийся из турбинного канала, надо снова затормозить. Эту обратную задачу выполняет система, зеркально отображающая входную: диффузор («расширитель») и воздуховоды с устройствами сброса (УС) на концах. Конструкции ВУ и УС опять-таки одинаковы. Единственное отличие – диаметры элементов отводящей системы должны быть больше, чем у их входных аналогов, чтобы обеспечить эффективный перепад давлений.

Скорость потока в турбинном канале регулируется простым вращением ВУ. При слабом ветре воздухозаборники ориентируются «лицом» к нему, а по мере усиления все больше отворачиваются, если это нужно. Устройства сброса, естественно, всегда направлены «спиной» к ветру. Координируют работу всех ВУ и УС микропроцессорные блоки контроля и управления их электроприводами, датчик направления ветра и центральный процессор с зашитой в нем программой. Режим регулирования вполне может быть не плавным, а дискретным, прорывным, что упростит систему управления.

Описанная ВЭУ в целом кажется отнюдь не дешевой. Есть ли смысл городить все эти громоздкие воздуховоды? Полученная формула мощности W позволяет сравнить абсолютные энергетические показатели старого и нового вариантов. Пусть плотность воздуха на уровне моря р = 1,2 кг/м3 и скорость ветра V = 5 м/с. Для первого варианта возьмем предельный диаметр ветрового колеса – 120 м, что дает площадь (ОП) чуть больше 11 300 м2. Подставив эти данные в формулу, получим мощность ветрового потока всего 0,8 МВт.

Для новой ВЭУ используем оценку скорости V в рабочем канале (около 200 м/с) и зададимся величиной ОП турбины – 10 м2. Аналогичный показатель составит 48 МВт. Энергетическое преимущество настолько явное, что дополнительные затраты (если они вообще понадобятся) должны окупиться.

Разумеется, в обоих вариантах, с учетом различных потерь, электрогенераторы утилизуют далеко не всю аэродинамическую мощность. Но и здесь, как мы убедились, новая ВЭУ должна иметь преимущество – более высокий КПД. Как показывают простейшие расчеты, стоит поставить несколько лишних ВУ да немного увеличить их диаметр – и мы быстро подойдем к пределу возможностей даже авиационных турбин. То есть данное условие само по себе определяет число и размеры ВУ проектируемой установки вряд ли больше 10. Правда, тут важен и еще один фактор – среднегодовая скорость ветра в данном районе, т. е. ветрообеспеченность. Если этот показатель меньше 5 м/с, то для стабильной работы генератора может понадобиться и более 10 воздуховодов. Чтобы оценить целесообразность такого решения, понадобятся, конечно, детальные исследования и расчеты, в том числе экономические. Но даже приближенные оценки говорят, что подумать есть над чем.

Радиотехникам: Схемы видеокамер, Цоколевка транзисторов, Справочник транзисторов Проектирование активных систем солнечного горячего водоснабжения