Грани нетрадиционной энергетики

      Âäóìàéòåñü â ýòó öèôðó. Äàæå åå ñîêðàùåíèå ïîçâîëèò ñåðüåçíî óìåíüøèòü è çàòðàòû è âðåäíîå âîçäåéñòâèå ñîâðåìåííûõ ýíåðãîêîìïëåêñîâ íà ïðèðîäó.

Пожиратель ветра. 

Íà ïåðâûé âçãëÿä âåòåð êàæåòñÿ ñàìûì äîñòóïíûì èç âîçîáíîâëÿåìûõ èñòî÷íèêîâ ýíåðãèè.  ñàìîì äåëå: íå â ïðèìåð Ñîëíöó, îí âïîëíå "ðàáîòîñïîñîáåí" íà þãå è íà ñåâåðå, çèìîé è ëåòîì, äíåì è íî÷üþ, â äîæäü è òóìàí. Îäíàêî íà ýòîì âñå äîñòîèíñòâà è êîí÷àþòñÿ; äàëüøå, óâû, - ñïëîøíûå íåäîñòàòêè... Ïðåæäå âñåãî, ýòî î÷åíü ðàññåÿííûé ýíåðãîðåñóðñ. Ïðèðîäà íå ñîáðàëà âåòðû â êàêèõ-òî îòäåëüíûõ "ìåñòîðîæäåíèÿõ", ïîäîáíî ãîðþ÷èì èñêîïàåìûì. È íå ïóñòèëà èõ òå÷ü ïî ðóñëàì, ïîäîáíî ðåêàì. Âñÿêàÿ äâèæóùàÿñÿ âîçäóøíàÿ ìàññà "ðàçìàçàíà" ïî îãðîìíîé òåððèòîðèè. Ïðàâäà, ðàññåÿííîñòü, ìàëàÿ êîíöåíòðàöèÿ õàðàêòåðíà è äëÿ ñîëíå÷íîé ýíåðãèè. Íî ñ âåòðîì åùå õóæå. Åãî îñíîâíûå ïàðàìåòðû - ñêîðîñòü è íàïðàâëåíèå - ìåíÿþòñÿ ãîðàçäî áûñòðåå, â áîëåå øèðîêèõ ïðåäåëàõ è ñîâåðøåííî íåïðåäñêàçóåìî.  èòîãå ïî íàäåæíîñòè îí ïî÷òè âåçäå óñòóïàåò Ñîëíöó. Îòñþäà è âûòåêàþò äâå ãëàâíûå ïðîáëåìû ïðîåêòèðîâàíèÿ âåòðîýíåðãåòè÷åñêèõ óñòàíîâîê (ÂÝÓ).

Во-первых, с учетом рассеянности âåòðà ñòðåìÿòñÿ "ñíèìàòü" åãî êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ ñ ìàêñèìàëüíîé ïëîùàäè. ×òî èìååòñÿ â âèäó? Äëÿ ÂÝÓ îáû÷íîé êîíñòðóêöèè (âåòðîâîå êîëåñî íà ãîðèçîíòàëüíîé îñè) - ýòî ïëîùàäü êðóãà, êîòîðûé îïèñûâàþò ëîïàñòè ïðè âðàùåíèè; ó ñïåöèàëèñòîâ îíà íàçûâàåòñÿ ñìåòàåìîé ïëîùàäüþ (ÎÃÎ. Îòñþäà âðîäå áû ñëåäóåò, ÷òî äèàìåòð êîëåñà (äëèíó ëîïàñòåé) íàäî âñÿ÷åñêè íàðàùèâàòü. È äåéñòâèòåëüíî: èçâåñòíû ïðîåêòû ãèãàíòñêèõ ÂÝÓ ñ äèàìåòðîì âåòðîêîëåñà äî 120 ì. Íî äëÿ òàêèõ ãàáàðèòîâ ñèëüíûå âåòðû, â ïðèíöèïå áîëåå "âûãîäíûå", ñòàíîâÿòñÿ óæå íåæåëàòåëüíûìè - èç ñîîáðàæåíèé áåçîïàñíîé ýêñïëóàòàöèè. Ê òîìó æå, ðàññ÷èòûâàÿ ïðî÷íîñòü, òóò ïðèõîäèòñÿ äîïîëíèòåëüíî ñòðàõîâàòüñÿ äàæå îò ìàëîâåðîÿòíûõ óðàãàííûõ ïîðûâîâ è òåì åùå áîëüøå ïåðåòÿæåëÿòü ãðîìîçäêóþ êîíñòðóêöèþ. Ïóòü ÿâíî òóïèêîâûé.

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 генератоðà. Íî åñëè ïðåäûäóùàÿ ïðîáëåìà ðåøàåòñÿ õîòÿ áû äî èçâåñòíîãî ïðåäåëà, òî ýòà ïîêà íå ðåøàåòñÿ íèêàê.

Общий вывод, видимо, ясен: нужна установка принципиально новой конструкции. Нащупать подходы к ней помогут несложные математические изыскания. Посмотрим, îò êàêèõ îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ çàâèñèò ýíåðãåòè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü ÂÝÓ.

Как известно, кинетическая энергия движущегося тела

      W = mV ² / 2 .

Если речь идет о воздушном потоке, то V, åñòåñòâåííî, è åñòü åãî ñêîðîñòü. Ñ ìàññîé m ÷óòü ñëîæíåå.  äàííîì ñëó÷àå áåðåòñÿ ìàññà îáúåìà âîçäóõà, ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç ÎÏ â åäèíèöó âðåìåíè. Çíà÷èò,

      m = pSV,

      где ð - ïëîòíîñòü âîçäóõà, S - ÎÏ, V - òà æå ñêîðîñòü âåòðà. È òîãäà èñõîäíîå âûðàæåíèå ïðèíèìàåò âèä

      W = ðSV ³ / 2 .

Ýòî âåëè÷èíà ýíåðãèè â åäèíèöó âðåìåíè, ïî ñóòè - ìîùíîñòü. Èòàê, çíà÷åíèå W îïðåäåëÿåòñÿ äâóìÿ ïåðåìåííûìè - S è V. Êàê â ïðèíöèïå ìîæíî åå óâåëè÷èòü? Åñëè çà ñ÷åò S, òî ïðèéäåòñÿ ñìèðèòüñÿ ñ íåèçáåæíûì ðîñòîì ãàáàðèòîâ è ìàññû ÂÝÓ (ñì. âûøå).

Öèôðàìè îáîçíà÷åíû: 1 - íàïðàâëåíèå âåòðà; 2 - âîçäóõîçàáîðíîå óñòðîéñòâî; 3 - âõîäíûå âîçäóõîâîäû; 4 - êîíôóçîð; 5 - ñåðâîäâèãàòåëü ïîâîðîòà; 6 - ïîâîðîòíûé êðóã; 7 - äèàìåòð ÂÓ; â - óñòðîéñòâî ñáðîñà; 9 - îòâîäÿùèå âîçäóõîâîäû; 10 -äèôôóçîð; 11 - ðàáî÷èé êàíàë; 12 - ýëåêòðîãåíåðàòîð, 13 - òóðáèíà.  

Но из полученной формулы виден и другой порок такого "лобовного" подхода: ОТ связана с площадью 3 прямо пропорционально, линейно. Зато влияние скорости V ãîðàçäî ñèëüíåå - çàâèñèìîñòü òóò óæå êóáè÷åñêàÿ. Íàñêîëüêî âàæíà ýòà ðàçíèöà, ïîÿñíèì íà ïðèìåðå.

Допустим, нам удалось каким-то путем удвоить величину V. Ïîíÿòíî, ÷òî ìîùíîñòü âîçäóøíîãî ïîòîêà íà ëîïàñòÿõ âîçðàñòåò â 8 ðàç. È åñëè òåïåðü ìû ðåøèì ñîõðàíèòü ïðåæíþþ ìîùíîñòü óñòàíîâêè, òî ñìîæåì ñîîòâåòñòâåííî óìåíüøèòü ÎÏ âåòðîâîãî êîëåñà. Òîãäà åãî äèàìåòð (òî åñòü, â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè, è îñòàëüíûå ëèíåéíûå ðàçìåðû ÂÝÓ) ñîêðàòèëñÿ áû â Ö 8 = 2,83 ðàçà. Åñëè æå ñóìååì óâåëè÷èòü V âòðîå, âûèãðàåì â ãàáàðèòàõ áîëåå ÷åì â 5 ðàç ( Ö27), èò.ä.

Что ж, ускорить ветер в принципе нетрудно: нужíî çàãíàòü åãî â íåêîå ïîäîáèå àýðîäèíàìè÷åñêîé òðóáû, ïîïðîñòó ãîâîðÿ - â ñóæàþùèéñÿ êàíàë.  íåì, êàê èçâåñòíî, ñêîðîñòü ïîòîêà ðàñòåò îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî ïëîùàäè ñå÷åíèÿ. À îáùèé êîýôôèöèåíò óñêîðåíèÿ ðàâåí îòíîøåíèþ ïëîùàäåé âõîäíîãî è âûõîäíîãî îòâåðñòèé. Äàæå äëÿ îáû÷íûõ ÂÝÓ óæå ðàçðàáîòàíû ïîäîáíûå óñòðîéñòâà - òàê íàçûâàåìûå êîíôóçîðû, èëè äåôëåêòîðû. Ñìûñë èõ ïðèìåíåíèÿ â òîì, ÷òî îíè ñîáèðàþò âåòåð ñ ãîðàçäî áîëüøåé ïëîùàäè, ÷åì ÎÏ.

Но почему, ступив на верный путь, конструкторы не пошли по нåìó äàëüøå? Ñäåëàåì âõîäíîå ñå÷åíèå êîíôóçàðà ïåðåìåííûì - è ñðàçó ðåøèì òó, "íåðåøàåìóþ", ïðîáëåìó - ïîääåðæàíèÿ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòè ïîòîêà íà ëîïàñòÿõ íåçàâèñèìî îò êàïðèçîâ âåòðà! Ïðîùå âñåãî òóò ïðèìåíèòü ïîâîðîòíîå âîçäóõîçàáîðíîå óñòðîéñòâî (ÂÓ). Ëåãêî ïîíÿòü, ÷òî åãî ýôôåêòèâíîå ñå÷åíèå ìàêñèìàëüíî â íàïðàâëåíèè "ôîðäåâèíä" è óìåíüøàåòñÿ ïðè îòêëîíåíèè â ëþáóþ ñòîðîíó. Ïðè÷åì òàêîå ÂÓ ñïîñîáíî ëîâèòü âåòåð ñî âñåõ ðóìáîâ, è ïîòîìó îñòàëüíûå ýëåìåíòû ìîæíî ñäåëàòü íåïîäâèæíûìè, äà è ñìîíòèðîâàòü ïðÿìî íà çåìëå, ÷òî ãîðàçäî óäîáíåå.

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 далеå â ðàáî÷èé êàíàë. Êàêèõ æå ñêîðîñòåé äîñòèãàåò òàì âîçäóøíûé ïîòîê? ßñíî, ÷òî ýòî çàâèñèò îò îòíîøåíèÿ äâóõ âåëè÷èí: ñóììàðíîãî ýôôåêòèâíîãî ñå÷åíèÿ âñåõ ÂÓ íà âõîäå è ñå÷åíèÿ ðàáî÷åãî êàíàëà - íà âûõîäå. Ïóñòü äèàìåòð îäíîãî ÂÓ âñåãî âòðîå ïðåâûøàåò äèàìåòð êàíàëà, à ïëîùàäü ñîîòâåòñòâåííî - â äåâÿòü ðàç. Òîãäà, ñêàæåì, ïðè ïÿòè ÂÓ îáùèé êîýôôèöèåíò óñêîðåíèÿ ðàâåí 45. Ïðàâäà, ìû íå ó÷ëè òóðáóëèçàöèþ âîçäóøíûõ ïîòîêîâ â ñèñòåìå è åå îáùåå àýðîäèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå, íî äëÿ ïåðâè÷íîé îöåíêè òàêîé ðàñ÷åò ïðàâîìåðåí. À ýòî çíà÷èò, ÷òî ñàìûé îáû÷íûé, óìåðåííûé âåòåð (5 ì/ñ) ïîðîæäàåò â êàíàëå ñâåðõóðàãàí â 225 ì/ñ! Íàïîìíèì, ÷òî ïî øêàëå Á îôîðòà óðàãàííûì ñ÷èòàåòñÿ âåòåð ñ æàëêîé ñêîðîñòüþ -12 ì/ñ...

Выходит, обычное ветровое колесо тут уже не годится: еãî ëîïàñòè ïðîñòî íå âûäåðæàò òàêîãî íàïîðà. Íóæíà íàñòîÿùàÿ òóðáèíà, ñ ëîïàòêàìè èíîé ôîðìû, ãîðàçäî ìåíüøåãî ðàçìàõà è áîëåå ïðî÷íûìè - êîðî÷å, òèïà àâèàöèîííîé. Êñòàòè, ïîäîáíîå óñòðîéñòâî íàìíîãî ýôôåêòèâíåå èñïîëüçóåò àýðîäèíàìè÷åñêóþ ýíåðãèþ âîçäóøíîãî ïîòîêà. À çäåñü ê òîìó æå îí îãðàíè÷åí ñòåíêàìè ðàáî÷åãî êàíàëà, ñå÷åíèå êîòîðîãî ïî÷òè ïîëíîñòüþ ïåðåêðûòî ëîïàòêàìè.  ðåçóëüòàòå îáùèé ÊÏÄ óñòàíîâêè äîëæåí çàìåòíî âîçðàñòè ïî ñðàâíåíèþ ñ îáû÷íîé, ãîðèçîíòàëüíî-îñåâîé.

Не забудем только, что аэродинàìè÷åñêèé ïîòîê, âûðâàâøèéñÿ èç òóðáèííîãî êàíàëà, íàäî ñíîâà çàòîðìîçèòü. Ýòó îáðàòíóþ çàäà÷ó âûïîëíÿåò ñèñòåìà, çåðêàëüíî îòîáðàæàþùàÿ âõîäíóþ: äèôôóçîð ("ðàñøèðèòåëü") è âîçäóõîâîäû ñ óñòðîéñòâàìè ñáðîñà (ÓÑ) íà êîíöàõ. Êîíñòðóêöèè ÂÓ è ÓÑ îïÿòü-òàêè îäèíàêîâû. Åäèíñòâåííîå îòëè÷èå - äèàìåòðû ýëåìåíòîâ îòâîäÿùåé ñèñòåìû äîëæíû áûòü áîëüøå, ÷åì ó èõ âõîäíûõ àíàëîãîâ, ÷òîáû îáåñïå÷èòü ýôôåêòèâíûé ïåðåïàä äàâëåíèé.

Скорость потока в турбинном канале регулируется простым вращением ВУ. При слабом ветре воздуõîçàáîðíèêè îðèåíòèðóþòñÿ "ëèöîì" ê íåìó, à ïî ìåðå óñèëåíèÿ âñå áîëüøå îòâîðà÷èâàþòñÿ, åñëè ýòî íóæíî. Óñòðîéñòâà ñáðîñà, åñòåñòâåííî, âñåãäà íàïðàâëåíû "ñïèíîé" ê âåòðó. Êîîðäèíèðóþò ðàáîòó âñåõ ÂÓ è ÓÑ ìèêðîïðîöåññîðíûå áëîêè êîíòðîëÿ è óïðàâëåíèÿ èõ ýëåêòðîïðèâîäàìè, äàò÷èê íàïðàâëåíèÿ âåòðà è öåíòðàëüíûé ïðîöåññîð ñ çàøèòîé â íåì ïðîãðàììîé. Ðåæèì ðåãóëèðîâàíèÿ âïîëíå ìîæåò áûòü íå ïëàâíûì, à äèñêðåòíûì, ïðîðûâíûì, ÷òî óïðîñòèò ñèñòåìó óïðàâëåíèÿ.

...Но, пожалуй, описанная ВЭУ в целом кажется отнюдь нå äåøåâîé. Åñòü ëè ñìûñë ãîðîäèòü âñå ýòè ãðîìîçäêèå âîçäóõîâîäû? ×òî æ, ïîëó÷åííàÿ íàìè ôîðìóëà ìîùíîñòè W ïîçâîëÿåò ñðàâíèòü àáñîëþòíûå ýíåðãåòè÷åñêèå ïîêàçàòåëè ñòàðîãî è íîâîãî âàðèàíòîâ. Çàäàäèìñÿ ïëîòíîñòüþ âîçäóõà íà óðîâíå ìîðÿ ð = 1,2 êã/êóá.ì è ñêîðîñòüþ âåòðà V = 5 ì/ñ.

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 используåì íàøó îöåíêó ñêîðîñòè V â ðàáî÷åì êàíàëå (îêîëî 200 ì/ñ) è çàäàäèìñÿ ñêðîìíîé âåëè÷èíîé ÎÏ òóðáèíû - 10 êâ.ì. Àíàëîãè÷íûé ïîêàçàòåëü ñîñòàâèò 48 ÌÂò! Ýíåðãåòè÷åñêîå ïðåèìóùåñòâî íàñòîëüêî ÿâíîå, ÷òî äîïîëíèòåëüíûå çàòðàòû (åñëè îíè âîîáùå ïîíàäîáÿòñÿ) äîëæíû îêóïèòüñÿ.

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 простейшиå ðàñ÷åòû, ñòîèò ïîñòàâèòü íåñêîëüêî ëèøíèõ ÂÓ äà íåìíîãî óâåëè÷èòü èõ äèàìåòð - è ìû áûñòðî ïîäîéäåì ê ïðåäåëó âîçìîæíîñòåé äàæå àâèàöèîííûõ òóðáèí. Òî åñòü äàííîå óñëîâèå ñàìî ïî ñåáå îïðåäåëÿåò ÷èñëî è ðàçìåðû ÂÓ ïðîåêòèðóåìîé óñòàíîâêè âðÿä ëè áîëüøå 10. Ïðàâäà, òóò âàæåí è åùå îäèí ôàêòîð

- 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 îöåíèòü öåëåñîîáðàçíîñòü òàêîãî ðåøåíèÿ, ïîíàäîáÿòñÿ, êîíå÷íî, äåòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ è ðàñ÷åòû, â òîì ÷èñëå ýêîíîìè÷åñêèå. Íî äàæå íàøè ïðèáëèæåííûå îöåíêè ãîâîðÿò, ÷òî ïîäóìàòü åñòü íàä ÷åì...