Все новое – хорошо забытое старое

 

Принципиально, вся ветроэнергетика построена на двух элементах: источнике энергии (ветер) и приемнике энергии (ветроустановка).
С первых шагов освоения энергии ветра и до нашего времени изобретатели занимались совершенствованием приемника энергии, а источник энергии (ветер) воспринимался ими как данное природой и не поддающееся управлению.
Во многом именно это обусловило проявление большинства недостатков, присущих современной ветроэнергетике.

 

Рис. 1. Техническая система «ветер – ветроустановка».

 

Но в технической системе «ветер – ветроустановка», оба составляющих элемента одинаково значимы. Только управление всеми элементами системы позволяет получить высокую эффективность ее работы.

Совершенствуя приемник энергии, человек откинул идею управления воздушным потоком прочь за ненадобностью. А зря! При современном уровне технического развития управление такими системами может быть организовано очень эффективно.

Но развитие ветроэнергетики пошло другим путем. В настоящее время практически все ветроустановки работают на одном принципе: снятия энергии со свободно набегающего воздушного потока.

Мы решили разработать принципиально новую техническую систему, которая позволила бы управлять как источником энергии, так и ее приемником. Таким образом, используя опыт и знания, накопленные человечеством в области строительства и эксплуатации ветроустановок, мы сможем значительно повысить их эффективность работы за счет управления параметрами воздушного потока (источника энергии).

Одним из результатов наших многолетних исследований стала ветроустановка башенного типа. Она позволяет, с той или иной степенью эффективности, управлять всеми элементами системы «ветер – ветроустановка».

Ветроустановка башенного типа состоит из следующих основных элементов: аппарата сбора энергии, генератора, аппарата концентрации энергии и системы управления.

 

Рис. 2. Принципиальная схема конструкции башенной ветроустановки (БВУ).

 

Аппарат сбора энергии выполнен в виде вертикального цилиндра, стенки которого собраны из профилированных поверхностей, образующих сквозные каналы, соединяющие внешнюю поверхность цилиндра с его внутренним вертикальным каналом (входные конфузорные каналы). Их задача - «захватить» набегающий воздушный поток, развернуть его вверх вдоль вертикальной оси установки и направить на лопасти генератора.

Генератор с лопастями размещен внутри аппарата концентрации энергии. Генератор преобразует кинетическую энергию воздушного потока в электрическую энергию.

Аппарат концентрации энергии конструктивно выполнен в виде вертикальной трубы, внутреннее сечение которой плавно уменьшается к центру, где и расположен генератор. Внутренний объем этой трубы является продолжением внутреннего вертикального канала аппарата сбора энергии. Такая конструкция данного узла позволяет повысить концентрацию кинетической энергии воздушного потока на лопастях генератора.

Система управления (на рисунке не показана) обеспечивает своевременное открытие конфузорных каналов башни со стороны набегания внешнего воздушного потока и закрытие всех остальных конфузорных каналов.

Чем принципиально отличается башенная конструкция от ветроустановок, преобразующих энергию свободно набегающего воздушного потока?
1. Она позволяет управлять энергией воздушного потока, путем ее концентрации на лопастях генератора.
2. Отпадает необходимость в настройке лопастей ротора генератора «на ветер». Генератор, с вертикальной осью вращения, стационарно установлен в верхней части установки. Ветер сам «настраивается» на генератор благодаря конструкции аппарата сбора энергии.
3. Значительно повышается мощность воздушного потока, приходящая на лопасти ротора генератора. Конструкция аппарата концентрации энергии позволяет повышать скорость воздушного потока во внутреннем вертикальном канале установки и соответственно, повышать его мощность.
Проведенные экспериментальные исследования моделей в аэродинамической трубе (рис. 6) показали увеличение выработки энергии генератором, установленным в башне более чем в 4 раза, а для малых скоростей воздушного потока – более чем в 10 раз. (рис. 7 и 8).

 

Рис. 6. Схема сравнительных лабораторных испытаний ветроустановки башенного типа.

 

 

Рис. 7. Выработка электрической энергии генератором

 

 

Рис. 8. Относительное увеличение выработки энергии при размещении генератора в башне.

 

Для подтверждения полученных лабораторных результатов была построена опытно-экспериментальная установка в масштабе 20:1. Схема испытаний – сравнительная (аналогична используемой в лаборатории), представлена на рис. 9.

В сравнительных испытаниях на полигоне мы использовали генераторы на постоянных магнитах СВ-1.2/30.

 

 

Рис. 9. Схема сравнительных испытаний в условиях полигона

 

 

Рис. 10. Выработка электрической энергии генераторами

 

 

Рис. 11. Относительное увеличение выработки энергии генератором в башне.

 

Анализ полученных результатов показывает значительный рост эффективности работы генератора при его размещении в башне – концентраторе:
- Стартовая скорость ветра в два раза ниже по сравнению с традиционными конструкциями;
- Скорость ветра, при которой генератор работает в номинальном режиме – в 2 раза ниже;
- Коэффициент использования установленной мощности может достигать значения 0,6…0,7 (получено расчетным путем);
- В 2–3 раза выше объем вырабатываемой энергии;
- Объем выработанной энергии с единицы площади ометаемой поверхности, для всех диапазонов скоростей воздушного потока, вырос более чем в 5 раз, а в диапазоне низких скоростей - более чем в 10 раз.
- Отвод земли на единицу установленной мощности, у ветроустановки башенного типа, самый низкий из всех видов генерации.

Конструктивные особенности новой ветроустановки позволяют устранить многие недостатки, присущие ветроустановкам традиционной конструкции:
1. Шумы и вредные для человека излучения, которые могут возникать в процессе работы генератора башенной ветроустановки, не выходят за конструктивные габариты установки. Это достигается благодаря тому, что генератор с лопастями расположен внутри ее вертикального канала. Современные материалы позволяют эффективно гасить или поглощать все вредные шумовое и вибрационное излучение. По этой же причине генератор и лопасти башенной ветроустановки не будут помехой распространению теле – и радиосигналам.
2. Установка не наносит вред птицам. Предотвращение попадания птиц на лопатки генератора можно предотвратить за счет установки защитных сеток на входе в конфузорные каналы. Для предотвращения столкновения птиц с БВУ в ночное время суток, ее внешняя поверхность освещается. Это позволит улучшить и зрительное восприятие башни ВУ.

Взгляд в будущее.

 

Башенная конструкция ветроустановки, по своим техническим характеристикам, значительно превосходит все современные ветроустановки традиционной конструкции, работающие со свободно набегающим потоком воздуха.

Ветроустановки башенного типа - достойная замена ВЭУ традиционной конструкции.
- Они могут работать при более низких скоростях ветра.
- Позволяют в значительно увеличить количество вырабатываемой электроэнергии.
- Их эффективность никак не ниже традиционных станций генерации электроэнергии, использующих углеродное топливо: газ, уголь, мазут, нефть, а экологическая чистота производства электроэнергии не имеет аналогов.
- Ветроустановки башенного типа очень эффективно могут работать в регионах с малыми скоростями ветра.
- Отвод земли на единицу мощности для ветроустановок башенного типа самый низкий из всех видов генерации.
- Благодаря своей компактности, такие установки могут служить автономным и самодостаточным источником энергии.

Ветроустановки башенного типа сегодня - это мировая энергетика завтра: низкая себестоимость и высокое качество производства экологически чистой энергии.