Альтернативные источники энергии. (Грани нетрадиционной энергетики.)
ю (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 2 / 2 .
Если речь идет о воздушном потоке, то V, естественно, и есть его скорость.
С массой m чуть сложнее. В данном случае берется масса объема воздуха,
проходящего через ОП в единицу времени. Значит,
m = pSV,
где р - плотность воздуха, S - ОП, V - та же скорость ветра. И тогда
исходное выражение принимает вид
W = рSV 3 / 2 .
Это величина энергии в единицу времени, по сути - мощность. Итак, значение
W определяется двумя переменными - S и V. Как в принципе можно ее
увеличить? Если за счет S, то прийдется смириться с неизбежным ростом
габаритов и массы ВЭУ (см. выше).
[pic]
Цифрами обозначены: 1 - направление ветра; 2 - воздухозаборное устройство;
3 - входные воздуховоды; 4 - конфузор; 5 - серводвигатель поворота; 6 -
поворотный круг; 7 - диаметр ВУ; в - устройство сброса; 9 - отводящие
воздуховоды; 10 -диффузор; 11 - рабочий канал; 12 - электрогенератор, 13 -
турбина.
Но из полученной формулы виден и другой порок такого "лобовного" подхода:
ОТ связана с площадью 3 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 ( 8 = 2,83
раза. Если же сумеем увеличить V втрое, выиграем в габаритах более чем в 5
раз ( (27), ит.д.
Что ж, ускорить ветер в принципе 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 конфузара 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, да и смонтировать прямо на
земле, что гораздо удобнее.
Так родилась у автора конструкция установки, изображенная на схеме (патент
РФ М9 1783-144). 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 Б
офорта ураганным считается ветер с жалкой 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 - короче, типа авиационной.
Кстати, подобное устройство намного эффективнее использует аэродинамическую
энергию воздушного потока. А здесь к тому же 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.
...Но, пожалуй, описанная ВЭУ в целом кажется отнюдь не дешевой. Есть ли
смысл городить все эти громоздкие воздуховоды? Что ж, полученная нами
формула мощности W позволяет сравнить абсолютные энергетические показатели
старого и нового вариантов. Зададимся плотностью воздуха на уровне моря р =
1,2 кг/куб.м и скоростью ветра V = 5 м/с.
Для первого варианта возьмем предельный диаметр ветрового колеса -
-120 м, что дает площадь 3 (ОП) чуть больше 11 000 кв.м. Подставив эти
данные в формулу, получим мощность ветрового потока всего 0,8 МВт.
Для новой ВЭУ используем нашу оценку скорости V в рабочем канале (около 200
м/с) и зададимся скромной величиной ОП турбины - 10 кв.м. 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, его, так сказать, ветрообе-
спеченность. Если этот показатель меньше тех же 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 наши
приближенные оценки говорят, что подумать есть над чем...
| |  скачать работу |
Альтернативные источники энергии. (Грани нетрадиционной энергетики.) |
