CC BY
137
Очиров Батр Владимирович - директор ООО «Аранзал» (г. Элиста).
Тел. 8(84722) 3-40-30.
Манджиев Виктор Сарангович - гл. менеджер ООО «Аранзал» (г. Элиста).
Тел. 8(84722) 3-40-30.
Information about the authors Eviev Valeriy Andreevitch - Doctor of Technical Sciences, professor of the department of agroengineering, Kalmytsky State University (Elista). Phone: 8(84722) 3-40-30; 8-917-688-85-81.
Mandgieva Tamara Vladimirovna - Candidate of Economic Sciences, assistant professor of the department of agroengineering, Kalmytsky State University (Elista).
Phone: 8(84722) 3-40-30; 8-917-680-18-31.
Ochirov Batr Vladimirovitch - director of “Aranzal” (Elista). Phone: 8(84722) 3-40-30.
Mandgiev Viktor Sarangovitch - general manager of “Aranzal” (Elista).
Phone: 8(84722) 3-40-30.
УДК 631.371:621.07
ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ИСКУССТВЕННОГО ВЕТРА © 2010 г. А.А. Соловьев, К.А. Кейвсар, К.П. Павловский, В.В. Тебуев
Обсуждается возможность повышения эффективности процесса преобразования энергии лучистого излучения в энергию течений в солнечных электростанциях с искусственным ветром. На лабораторной модели анализируются факторы, способствующие достижению оптимальных условий управления процессами концентрации тепловой энергии солнечной радиации в энергию вихревых потоков.
Ключевые слова: альтернативные источники энергии, солнечно-ветровые энергоустановки, искусственный ветер.
The opportunity of the increase of the efficiency of the process of transformation of radiant radiation energy on the energy of currents in solar power stations with artificial wind is discussed. On laboratory model the factors promoting achievements of optimum conditions of management by processes of concentration of thermal energy of solar radiation in energy of vortex streams are analyzed.
Key words: alternative energy sources, power plant, solar and wind installation, artificial wind.
Для возобновляемой энергетики особую актуальность имеют инновационные разработки, позволяющие создавать условия для преодоления основных недостатков преобразователей солнечной энергии -низкой плотности и непостоянства излучения. Среди способов преобразования солнечной энергии без должного изучения до сих пор остаются энергетические установ-
ки, в которых создаются искусственные ветровые потоки, инициированные коротковолновой составляющей солнечного излучения. Первые предложения создать солнечно-ветровую электростанцию относятся к 1903 году [1]. Впоследствии появились работы, в которых описывались различные конструкции подобных электростанций, получившие название «solar
chimney» - солнечная труба [2]. Энергоустановки, преобразующие тепло лучистой энергии в кинетическую энергию воздушного течения, представляют собой солнечный коллектор с башней (трубой) и турбинами [3]. Практически во всех установках подобного типа, искусственный ветер, создаваемый солнечным нагревом воздушных масс, представлял собой прямоточный вертикальный поток. Выходная мощность прямоточных ветровых течений в трубе по расчетам не превышала 10 Вт/м2 и зависела от размеров коллектора и трубы. Выполненные оценки показали, что практически значимые значения коэффициента преобразования солнечной энергии можно получать только при концентрации воздуха в вытяжную трубу высотой порядка сотен метров из коллектора, площадью несколько десятков квадратных метров. Первая солнечно-ветровая электростанция с трубой высотой 200 м, диаметром коллектора 200 м и мощностью 50 кВт была введена в эксплуатацию в конце 80-х годов близ города Манзанарес в Испании [4]. Аналогичная конструкция солнечно-ветровой электростанции в более крупном масштабе с трубой в 1000 м, диаметром коллектора 7500 м и мощностью 200 МВт была предложена для реализации в Австралии [5].
В настоящей работе рассматривается лабораторная модель электростанции (рис. 1), в которой для усиления низконапорных, воздушных течений, инициированных солнечным нагревом приземного коллектора, создается вихревой конвективный закрученный поток [6, 7]. Она содержит солнечный коллектор с неоднородным подогревом нижней поверхности, трубой в центре и тангенциальными направляющи-ми-завихрителями на периферии.
Особенность модели заключается в том, что воздушные массы, спирально двигающиеся в коллекторе, попадая в зону температурного скачка коллектора, приобретают сдвиг скорости. Сдвиговые возмущения внутри трубы формируют вращающийся поток с отличной от нуля завихренностью.
Макетный модуль солнечно-вихревой электростанции (рис. 2) создан с применением системы сборно-разборных конструкций. Каркас коллектора состоял из дюралевых уголков. В плане по периметру он представлял собой окружность. Нижняя поверхность коллектора - металлическая поверхность из стального листа. Верхняя поверхность коллектора изготавливалась из оргстекла.
стой энергии; 4 - завихрители; 5 - турбина.
Справа, в плане - траектория линии тока Рис. 2. Фотография макетн°г° модуля в коллекторе солнечно-вихревой электростанции
В центральной части коллектора к каркасу жестко прикреплялась обечайка, в которую устанавливалась труба из текстолита. На периферии коллектора вертикальными штырями закреплялись тонкие дюралевые пластины (тангенциальные завихри-тели), которые можно было устанавливать под различными углами, отсчитываемыми от касательной к окружности коллектора. В верхней части трубы на ее стенке устанавливался координатник для перемещения измерительных датчиков скорости и температуры в горизонтальной плоскости. Нагрев воздуха в коллекторе осуществлялся электрическими тэнами, нерегулярно расположенными под дном коллектора. Датчики температуры размещались внутри коллектора и в трубе. Сигналы с датчиков через аналого-цифровой преобразователь вводились в компьютер. Суммарная относительная ошибка при определении скорости не
превышала 2,5%. Параметры установки приведены в таблице.
В опытах установлено, что с ростом температуры подстилающей поверхности скорость вращения увеличивается. Измерения скорости потока при различных комбинациях углов входа воздуха в коллектор показали, что результирующая скорость потока в трубе для углов тангенциальных пластин, отсчитываемых от касательной к окружности, в пределах а = (0-10)0 оказалась больше, чем при других углах закрутки потока.
Суммарный расход входящего в вихрь потока в этих случаях также увеличивался. Максимальный уровень интенсификации лучистой энергии, возбуждающей конвективно-закрученный поток, достигался путем оптимизации периферийного углового момента, по высоте вихря вблизи подстилающей поверхности.
Г еометрические характеристики экспериментальной установки
Высота коллектора, м 0,03
Число тангенциальных завихрителей коллектора 24
Высота трубы, м 1,5
Диаметр трубы, м 0,11
Радиус коллектора, м 1,2
0 10 20 30 40 50 60 70 ВО 90
Рис. 3. Зависимость нормированного коэффициента полезного действия ц * преобразования энергии лучистого излучения в энергию конвективного закрученного течения в энергоустановке от угла входа потока а в коллектор. Нормировочное значение ц =0,31% равно коэффициенту преобразования лучистой энергии при прямоточном конвективном течении. Сплошная линия - тренд, точки - эксперимент авторов
На рисунке 3 показано рассчитанное по данным измерений значение коэффициента полезного действия исследованной модели. Закрученный поток позволяет в полтора раза увеличить преобразование лучистой энергии по сравнению с прямоточным конвективным струйным течением.
Из проведенных экспериментов следует, что управлять величиной коэффициент гидродинамического преобразования солнечной энергии, инициированного парниковым эффектом, можно путем подбора оптимальных значений угла закрутки потока. Принимая полученные в экспериментах значения коэффициента полезного действия за исходные, в реальных солнечновихревых электростанциях можно получить следующие характеристики. Диаметр
солнечного коллектора - 30 м, труба, высотой 10 м, диаметром 1 м, интенсивность солнечной радиации - 500 Вт/м , скорость наружного ветра в районе станции - 3 м/с, выходная мощность - 5 кВт. Капитальные затраты на строительство - 5000 долларов США. Использовать энергию только солнечного излучения в электростанциях экономически не эффективно. Более эффективное функционирование будет совместно с другими системами, в том числе с котлом на биогазе и других видах топлива. Подобные станции могут быть использованы для автономного обеспечения электрической энергией сельскохозяйственных комплексов Южного федерального округа Российской Федерации.
Литература
1. Cabanyes I. Proyecto de motor solar // La Energia Electric. - 1903. - V. - 8(4). - P. 1-4.
2. Schlaich J. The Solar Chimney. - Stuttgart, Germany, 1995. - 174 p.
3. Lorenzo E. Las chimeneas solares: De una propuesta espanola en 1903 a la Central de Manzanares // Era Solar. - 2002. -V. - 110. - P. 64-68.
4. Haaf W., Friedrich K., Mayr G., Schlaich J., Solar Chimneys. Part I: Principle and Construction of the Pilot Plant in Manzanares // International Journal of Solar Energy. - 1983. -V. - 2. - P. 3-20.
5. Schlaich J., Bergermann R., Schiel W., Weinrebe G. Design of Commercial Solar Updraft Tower Systems: Utilization of Solar Induced Convective Flows for Power Generation // Journal of Solar Energy Engineering. - 2005. - V. - 127 (1). - P. 117-124.
6. Соловьев, А.А. Конвективный вихрь - преобразователь лучистой энергии [Текст] / А.А. Соловьев, А.Д. Солодухин // Весщ Акадэмп Наук БССР, сер физ. энерг. наук. -1989. - № 1. - С. 25-29.
7. Пат. № 2169859 Российская Федерация, Персональная вихревая электростанция [Текст] / Соловьев А.А, Павловский К.П.; заявитель и патентообладатель Соловьев А.А, Павловский К.П. - № 99107265 / 06; заявл. 02.04 1999; 27.06.2001, Бюл. № 18. - 3 с.
Сведения об авторах Соловьев Александр Алексеевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий научно-исследовательской лабораторией возобновляемых источников энергии МГУ им. М.В. Ломоносова, географический факультет (г. Москва). Тел.: +7(495) 939-42-57; E-mail: geosolmgu@mail.ru.
Кейвсар Камилл Андреевич - аспирант географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва). Тел. +7(495) 939-42-57; E-mail: kamill keivsar@mail.ru.
Павловский Константин Петрович - научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии МГУ им. М.В. Ломоносова, географический факультет (г. Москва). Тел. +7(495) 939-42-57.
Тебуев Владимир Владимирович - инженер МГУ им. М.В. Ломоносова, географический факультет (г. Москва). Тел.: +7(495) 939-42-57.
Information about the authors
Solovyov Alexander Alexeevitch - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor, chief of the scientific-research laboratory of renewable sources of energy, Lomonosov Moscow State University, faculty of geography (Moscow). Phone: + 7(495) 939-42-57.
E-mail: geosolmgu@mail.ru.
Keivsar Kamil Andreevitch - post-graduate student of the faculty of geography, Lomonosov Moscow State University (Moscow). Phone: + 7(495) 939-42-57.
E-mail: kamil keivsar@mail.ru.
Pavlovskiy Konstantin Petrovitch - scientist of scientific-research laboratory of the renewable sources of energy, Lomonosov Moscow State University, faculty of geography (Moscow). Phone: + 7(495) 939-42-57.
Tebuev Vladimir Vladimirovitch - engineer, Lomonosov Moscow State University, faculty of geography (Moscow). Phone: + 7(495) 939-42-57.
УДК 621.313
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ БАЗ ДАННЫХ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРИРОДНО-РЕСУРСНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ
© 2010 г. С.В. Киселева, Ю.Ю. Рафикова
Представлены результаты расчетов элементов ветропотенциала территории, а также эффективности работы ветроустановок заданной мощности, полученные с использованием массива данных NASA Surface meteorology and Solar Energy. Рассматривается вопрос адекватности используемых данных, и приводятся результаты их верификации с использованием наземных измерений метеостанций России. Полученные для территории Южного федерального округа РФ результаты представлены в картографическом виде.
Ключевые слова: ветровая энергетика, спутниковые базы данных, картография, оценка потенциала.
The work contains results of calculating elements of potential wind power on the presented territory, and also an efficiency of work of the wind turbines with the set power, received with the use of NASA Surface meteorology and Solar Energy System data. The question of adequacy of the used data is considered, and the results of their verification with the use of land measurements of meteorological stations of Russia are presented. The results, which were received for the territory of Southern Federal District of Russian Federation, are presented in cartographical way.
Key words: wind power, satellite databases, cartography, estimation of potential.
В течение длительного времени осно- теорологические станции, ведущие дли-
вой для расчетов энергетических характе- тельные наблюдения за параметрами ветра,
ристик ветра являлись многолетние изме- и, следовательно, позволяющие делать старения наземных метеостанций. Однако ме- тистические оправданные оценки, зача-
