ИННОВАЦИОННАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ IWET Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

В ENERGY BULLETIN

ИННОВАЦИОННАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ iWET*

Юрий Максимович Бычков

Профессор, доктор технических наук, Россия globmera@mail.ru

Аннотация: В статье показаны новые возможности ветроэнергетической технологии МЕТ и целесообразность их использования в альтернативном энергообороте для разрешения многих экологических проблем мировой энергетики. Подробно описан принцип действия и устройство ветроустановки, представлена схема и фотография общего вида. Приведён анализ результатов измерений электромеханических и тепловых характеристик и тестовых испытаний установки ВДЕТ с установленной мощностью электродвигателя 7,5 кВт.

Ключевые слова: ветроэнергетика, ветроу-становка, технология ВДЕТ, инновации, альтернативные источники энергии, ВИЭ, климат, полиэнергетический процесс.

Неразумная безответственная деятельность современного человека создала целый ряд

«рукотворных» угроз для существования жизни на Земле во всех её формах и проявлениях. В настоящее время определены наиболее опасные из этих угроз и намечены приоритетные направления их устранения, закреплённые в следующих программных документах:

1 - Программа SEFA (Sustainable Energy for All), принятая ООН в 2011 году;

2 - Парижское соглашение по климату, вступившее в силу 4 ноября 2016 году;

3 - Европейская энергетическая Программа «Стратегия 20-20-20».

Программа SEFA направлена на создание прочного фундамента устойчивой энергетики для всех путём обеспечения всеобщего доступа к современным и недорогим энергетическим услугам, удвоения уровня эффективности и удвоения доли возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе. Данная Программа содержит конкретные показатели, которые должны быть достигнуты для выполнения указанных выше стратегических целей.

Парижское соглашение по климату, к сожалению, не «оцифровано». Оно только предусматривает принятие национальных планов по снижению выбросов парниковых газов в атмосферу, а также разработку к 2020 году национальных стратегий перехода на «зелёные» технологии и безуглеродную экономику.

Европейская энергетическая Программа «Стратегия 20-20-20» нацелена на то, чтобы к 2020 году на 20% сократить уровень выбросов углекислого газа в атмосферу по сравнению с уровнем 1999 года, на 20% увеличить долю энергии из возобновляемых источников в общем балансе энергопотребления и на 20% сократить энергозатраты. «Стратегию 20-20-20» развивает Европейская «Дорожная карта 2050», согласно которой к 2050 году выброс парниковых газов в атмосферу должен быть сокращён на 80-95%, что должно радикально улучшить экологию окружающей среды в Европе.

Профессор, доктор технических наук Юрий Бычков является автором более 300 научных работ и изобретений.

* Результаты тестовых испытаний, описанные в настоящей статье, были первоначально представлены на конференции на тему: «Инвестиции в зелёную энергетику», ЭКСПО - 2017, Республика Казахстан, Астана, 21-23 июня 2017 г. и опубликованы в её трудах.

В ENERGY

№25,2019

Таким образом, осознанная человечеством перспектива глобального изменения климата с катастрофическими последствиями для экологии нашей планеты, если рост её температуры превысит 1,5-2°С, является первой производной иррационального функционирования мировой топливной энергетики, потребляющей немыслимые количества углеводородов и выбрасывающей в атмосферу парниковые газы, создающие эффект накопления в атмосфере избыточной тепловой энергии в недопустимых количествах. Если медленный, но уверенный рост температуры достигнет предельных критических значений порядка 3,7-4,8°С согласно прогнозу, к 2100 году жизнь на нашей планете станет невозможной. И, как это ни горько сознавать, на нынешнее поколение ляжет вся ответственность перед будущими поколениями человечества за это экологическое «преступление».

В настоящее время мировая инновационная политика в области энергетики строится на разнообразных механизмах реализации с приоритетом поиска новых альтернативных источников энергии и энергоэффективных технологий их использования. В этом плане самого серьёзного внимания заслуживает Мировой воздушный океан с накопленной в результате парникового эффекта избыточной тепловой энергией, который является пока ещё недостаточно востребованным источником альтернативной энергии для бестопливной «зелёной» энергетики нашей планеты, вовлечение которого в полезный энергооборот создаст реальные возможности не только остановить рост температуры атмосферы, но и, что самое главное, начать её постепенное снижение до нормальных значений доиндустриальной эпохи. Так, несложные расчёты, опирающиеся на справочные данные, показывают, что из атмосферного воздуха Земли общей массой 5,3х1015 тонн, при понижении его температуры всего лишь на 0,01°С в год для каждого жителя Земли, текущее население которой по состоянию на 2017 год составляет 7,5 млрд, можно получать около 2000 кВт-ч теплоты, если поставить вполне достижимую цель в течении 100 лет снизить температуру нашей планеты всего лишь на 1°С. Это серьёзный аргумент в пользу того,

что возможно не только предотвратить нависшую над ней угрозу «тепловой смерти», но и надёжно улучшить её экологическое благополучие при обеспечении общедоступных и недорогих энергетических услуг.

В настоящей статье на примере технологии ¡WET (innovation WindEnergyTech) показаны новые возможности и целесообразность их использования в альтернативном энергообороте для разрешения многих экологических проблем мировой энергетики, включая в первую очередь те из них, которые уже вызывают понятную озабоченность мирового сообщества.

Технология ¡WET базируется на явлении, установленном экспериментально [1-3] и теоретически обоснованным в соответствии с основными положениями современной термодинамики [4].

Согласно одному из начал термодинамики [2], в необратимых циклических процессах в системах любого типа (открытых, закрытых или изолированных) может происходить образование и накопление сверхединичных энергий в результате их некомпенсированных превращений при непрерывном увеличении температуры и давления в ускоренных до сверхзвуковых скоростей течениях многофазных газожидкостных потоков.

Теоретический анализ данного явления сверхединичных превращений энергий в циклических необратимых процессах предварительно выполним при следующих условиях:

1 - ¡WET представляет полиэнергетический процесс, в котором практически одновременно участвуют несколько процессов: гидро- и аэромеханический, термохимический, прямой и обратный фазовые переходы и другие процессы, термодинамические состояния которых характеризуются наличием стандартных эн-тропий;

2 - полиэнергетический процесс является циклическим и необратимым;

3 - система, в которой осуществляется полиэнергетический процесс, является открытой, обменивающейся как энергией, так и веществом с внешней средой.

Опираясь на второе начало термодинамики, представим изменение энтропии необратимого процесса в следующем виде [4]:

№25,2019

В

dS = dе•S + d¡•S , где dе•S изменение энтропии, обусловленное обменом веществом и энергией открытой системы с внешней средой, а d¡•S - обусловленные некомпенсированными преобразованиями изменения энтропии, произведённой необратимыми процессами внутри системы, которые согласно Клаузису могут быть только положительными:

N = S - ^ - I ^ > 0 .

Здесь S и S0 - соответственно энтропии начального и конечного состояния, О - количество теплоты и Т - абсолютная температура.

Необратимый процесс принято отождествлять с неравенством Клаузиуса в следующем виде:

dS > ^ .

т

Второе начало термодинамики описывает изменение энтропии внутри системы, как сумму изменений, вызванных необратимыми потоками dXl:

k*

d-S

dX,.

-= ^k Fk-

dt k k dt

> 0

где Рк - термодинамическая сила, являющаяся функцией таких переменных, как температура и консистенция.

В нашем случае чрезвычайно важным является изменение энтропии открытых систем deS, которые обмениваются с внешней средой веществом и энергией:

d S= ^ + И 6)= + И 6)в и d¡S>0 .

е т еуВ т ¡

В этом соотношении dQ есть количество теплоты, которым система обменялась с внешней средой за время Ъ Ме6)в - есть обмен энтропией, обусловленной потоком вещества; р, V и и - есть давление, объём и энергия, при этом функция (и+р^), являющаяся функцией только температуры, есть ничто иное, как энтальпия Н, т.е. Н=и+р-У

Важнейшим выводом из уравнения является вывод о том, что условие d¡S>0 выполняется всегда и не только ко всей системе, но и ко всем подсистемам, в неё входящим, т.е.:

Ц6),+Ц6)2+...+ Мг9п>0 ;

Ц-Б),.....п=Ц6),+Ц6)2+...+ Ц6)п .

Соотношение (d¡•S)1+(d¡•S)2+...+(d¡•S)n>0 является основополагающим для полиэнергетических систем: это означает, что может происходить прирост общей энтропии системы за счёт дополнительного вклада энтропии каждой из подсистем, входящих в данную полиэнергетическую систему.

Чрезвычайно важно то, что в каждой подсистеме обязательно выполняется условие:

Ц6),>0 ; Ц6)2>0 ; ... ; Ц6)п>0 .

При этом невозможны ситуации, при которых будут иметь место соотношения:

Мг9,>0 ; Ц6)2<0 ; ... ; Ц6)п<0 .

В случае обмена энергией и веществом системы как единого целого или входящих в неё подсистем с внешней средой, могут иметь место весьма сложные варианты, вытекающие из следующих очевидных соотношений:

И6)в<0 ; ^6)В>0] ; [^<0; ^>0] ; [Т,<Т2 ; Т,>Т2] ;

[(р^), < (p•V)2 ; (р^), > (p•V)2] .

Во всех остальных случаях будет иметь место отток тепла из системы во внешнюю среду, если Т,>Т2, или приток тепла в систему из внешней среды, если Т,<Т2. Аналогичным образом будет происходить перемещение вещества из системы во внешнюю среду, если (р^), > (р^)2, и наоборот, из внешней среды в систему, если (р^), < (р^)2. И, наконец, может иметь место разнонаправленность процессов обмена, когда происходит одновременно отток тепла из системы во внешнюю среду и перемещение вещества из внешней среды в систему и наоборот, одновременно происходит приток тепла из внешней среды в систему и перемещение вещества из системы во внешнюю среду. Не исключён также вариант, когда одновременно возможен отток тепла и перемещение вещества во внешнюю среду или приток тепла и перемещение вещества из внешней среды в систему.

В ENERGY

№25,2019

Из приведённых выше соображений следует фундаментальное положение о том, что в природе не существует реальной системы, которая могла бы пройти цикл энергетических преобразований без потерь и вернуться в начальное положение, не увеличивая энтропии внешней среды. В формулировке И. Пригожи-на производимая протекающими в системе внутренними необратимыми процессами энтропия должна быть «выброшена из системы путём передачи теплоты внешней среде».

Количество теплоты Q, получаемое при нагревании циркулирующей во внутреннем энергетическом процессе среды с удельной изобарной теплоёмкостью Ср, кДж/(кг-К) от температуры Т1 до температуры Т2, выражается формулой:

Q=G-C/ (Т2 -Т,) ,

где G - массовый расход среды, кг/час.

При этом производимое энтропией количество теплоты E которое следует отводить из системы, будет равно:

E=G-S- (Т2 -Т,) ,

здесь S - удельная энтропия, имеющая размерность удельной изобарной теплоёмкости, кДж/(кг-К).

Известно [5, 6], что при изменении температуры воды от 20°С при давлении 100 кПа её удельная изобарная теплоёмкость возрастает от 4,185 до 4,205 кДж/(кг-К), т.е. всего лишь в 1,0048 раза, в то время, как удельная энтропия увеличивается от 0,2965 до 1,1926 кДж/(кг-К), т.е. в 4,0223 раза. Однако впечатляющими являются теплофизические свойства влажного воздуха в диапазоне температур 5...95°С при давлении 99325 Па [7]. Так, например, при изменении температуры воздуха с относительной влажностью, равной 0,4, удельная изобарная теплоёмкость увеличивается от 1,020 до 1,674 кДж/(кг-К), т.е. в 1,641 раза, при этом удельная энтропия возрастает от 0,163 до 3,888 кДж/(кг-К), т.е. в 23,853 раза. Однако при относительной влажности воздуха, равной 0,8, т.е. в 2 раза большей, в том же интервале изменения температур от 20°С до 80°С удельная изобарная теплоёмкость изменяется от 1,028 до 2,623 кДж/(кг-К), т.е. в 2,551 раза, а удельная энтро-

пия увеличивается от 0,214 до 8,634 кДж/(кг-К), т.е. в 40,346 раза. При этом, например, при температуре 90°С удельная энтропия воздуха с относительной влажностью, равной 0,8 по отношению к удельной энтропии воды больше в (8,634:1,1926) = 7,24 раза.

Таким образом, анализ теплофизических свойств веществ, формирующих внутреннюю среду полиэнергетического процесса, позволяет определить его наиболее эффективные сверхединичные режимы, накапливая энтропию во внутренней среде с последующим использованием её в полезном энергообороте, а не выбрасывая её во внешнюю среду как «неработоспособную» (по определению Гель-мгольца) часть внутренней энергии.

Рассмотрим устройство и принцип действия ветроэнергетического устройства ВДЕТ, в котором осуществляется полиэнергетический термодинамический процесс со сверхединичны-ми коэффициентами преобразования энергий. Данное устройство схематически представлено на рис.1, а на рис. 2 показан его общий вид.

Устройство содержит гидравлическую установку, в которой с помощью центробежного насоса создают напорный водный поток, поступающий по напорному трубопроводу в конвертер к гидроструйному насосу с рабочим органом специальной конструкции. Одновременно в конвертер по конфузорному каналу ве-троускорителя подаётся воздушный поток при полном отказе от лопастной ветротурбины. Конвертер предназначен для образования сверхзвуковой водовоздушной смеси. Известно, что скорость сверхзвукового течения двухфазной среды зависит от её газосодержания. Так, например, при объёмной концентрации воздуха в воде равной 0,5, местная скорость звука в двухфазной смеси будет равна 21,8 м/с, и её собственное течение с большей скоростью будет происходить в сверхзвуковом режиме со скачками температуры и давления в результате фазных превращений с образованием избыточных энергий воды и воздуха, необходимых для сверхединичных преобразований их в пневмогидромеханическую, термальную (тепло/холод) и электрическую энергии в их различном сочетании и количественном соотношении в соответствии с необходимым энергетическим балансом.

В ENERGY BULLETIN

Рис. 1. Схема ветроустановки iWET с тепловой нагрузкой.

Рис. 2. Общий вид ветроустановки iWET c тепловой нагрузкой.

в

№ 25, 2019

Ускорение воздушного потока в ветроусили-теле можно выполнять в широких пределах от аномально малых скоростей ветра порядка 0,1-0,3 м/с на входе в ветроусилитель до предельно высоких вплоть до околозвуковых скоростей ветра на входе в конвертер. Усиление скоростей ветра можно определить из выражения:

V=ak •V

k У У

где Vk и Vy - скорость воздушного потока во входных сечениях соответственно конвертера и ветроусилителя; а - эмпирическая поправка на торможение воздушного потока за счёт аэродинамических потерь (а<,); ку - коэффициент усиления скорости ветра, равный соотношению:

k =f /fk

У У k

здесь ^ и ^ - площади входных сечений соответственно ветроусилителя и конвертера.

Так, например, при площади входного сечения конвертера, равной 0,0, м2 и ку=Ю0, принимая поправку а, равную 0,5, скорость ветра во входном сечении ветроусилителя, равная 0,3 м/с, усилится во входном сечении конвертера до 45 м/с и будет находиться в оптимальном режиме для протекания аэродинамических и теплоэнергетических процессов.

Следует особо отметить чрезвычайно важную возможность данного устройства работать в автономном режиме независимо от ветра при неблагоприятных погодных условиях (низкая температура, снегопад и другие). В подобных случаях воздушный поток из окружающего воздушного пространства может нагнетаться принудительно, например, вентилятором или компрессором, или эжектиро-ваться гидроструйным насосом конвертера. Так же может быть задействован в режиме замкнутой циркуляции сжатый воздух, накопленный в баке-ресивере.

После конвертера сверхзвуковой водовоз-душный поток превращают в дозвуковой водо-воздушный поток, направляя его под напором по трубному участку в бак-ресивер, где происходит его разделение на две горячие среды -сжатый воздух и воду, которые находятся под избыточным давлением соответственно в

верхней и нижней части бака-ресивера с границей раздела между ними. Таким образом, в данном конкретном случае бак-ресивер выполняет функцию накопителя избыточной тепловой и механической энергий.

Горячая вода, становясь теплоносителем, по всасывающему трубопроводу возвращается снова в центробежный насос, а горячий сжатый воздух накапливается в баке-ресивере, при этом процесс генерации и накопления избыточной энергии происходит непрерывно, что подтверждается одновременным ростом температуры и давления как воды, так и сжатого воздуха.

По достижении необходимых значений температуры избыточная тепловая энергия водяного теплоносителя отводится во внешний замкнутый контур системы горячего теплоснабжения, включающей радиаторы водяного отопления, по трубопроводу прямой подачи и возвращается по трубопроводу обратной подачи. Возможен более сложный вариант исполнения системы водяного теплоснабжения с применением бойлера и дополнительной системы горячего водоснабжения для хозяйственно-питьевых целей. Избыточную механическую энергию целесообразно применять для рекуперации электрической энергии посредством дополнительно встроенной в установку гидротурбины с электрогенератором.

Сжатый воздух в данном случае выполняет функцию пневмоаккумулятора избыточной механической и тепловой энергии воздуха. Избыточная тепловая энергия горячего сжатого воздуха может использоваться для воздушного отопления, а также для различных технологических целей (сушка, подогрев рабочих сред и т.д.), а механическая энергия охлаждённого сжатого воздуха может применяться для работы пневмоинструментов и пневмодвигате-лей различного назначения, включая пневмо-двигатели электрогенераторов для выработки электроэнергии.

Система генерации энергии оборудована измерительным узлом, включающим электромагнитный теплосчётчик КМ-5-, с диаметром условного прохода 50 мм, термопару Т1-Т2 и баропару рЧ-р2. Аналогично система потребления тепла содержит измерительный узел,

№25,2019

В

содержащий второй электромагнитный теплосчётчик КМ-5-1 с диаметром условного прохода 40 мм, термопару Т3-Т4 и баропару р3-р4. Точки отбора соответствующих температур Т1-Т2-Т3-Т4 и давления р1-р2-р3-р4 показаны на рис.1. Для учёта потребляемой электроэнергии используется счётчик электроэнергии многофункциональный ПСЧ-4ТМ.05МК.

В описанной выше полиэнергетической установке ВДЕТ происходят весьма сложные процессы энергообмена при непрерывном росте термодинамических характеристик (температура, теплота и тепловая мощность), динамических характеристик циркулирующего водного потока (давление и гидромеханическая мощность), динамических характеристик воздушного потока (скорость, давление и аэромеханическая мощность), при постоянно подводимой извне механической энергии от центробежного насоса.

Анализ результатов тестовых испытаний установки ВДЕТ с установленной мощностью электродвигателя 7,5 кВт, показал, что за 7 часов работы установка потребила 35,92 кВт-ч электроэнергии и выработала в общей сложности 172,79 кВт-ч тепловой энергии, из которой для тепловой нагрузки было использовано всего лишь 44,42 кВт-ч, т.е. примерно 25%. Из этого следует, что система генерации в данном случае обладает трёхкратным запасом тепловой энергии и электродвигатель имеет избыточную мощность, которую целесообразно рекуперировать.

Таким образом, на 1 кВт-ч затраченной электроэнергии для электродвигателя центробежного насоса было получено 4,8 кВт-ч теплоты, и это при том, что коэффициент преобразования полезной механической энергии центробежного насоса, количество которой равнялось 25,79 кВт-ч, в теплоту составил 6,7 ед.

Мировая новизна, полезность и промышленная применимость предлагаемой технологии ВДЕТ в соответствии с Международной системой патентования РСТ, заявка РСТ/ЭЕ 2012/00041, подтверждены европейским патентом, валидированным в Австрии, Бельгии, Швейцарии, Германии, Дании, Англии, Италии, Швеции, Словении, Турции, а также национальным российским патентом Р11 2551145. Конвенционный приоритет патентов от 27 апреля 2011 года.

В заключении важно отметить, что полученные впечатляющие результаты в процессе теплогенерации и теплопотребления далеко не исчерпывают заложенные в технологии iWET скрытые резервы ещё более значительного повышения энергоэффективности при дополнительном использовании избыточной механической и тепловой энергий, накопленных водовоздушной средой в полиэнергетическом процессе, с целью генерации и потребления электроэнергии.

Литература

1. Бычков Ю.М. Новая парадигма мировой ветроэнергетики. Материалы Второго Международного форума «Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической эффективности REENFOR - 2014». 10-11 ноября 2014г./ Под. ред. д.т.н. О.С. Попеля и к.ф.-м.н. Д.О. Дуникова - Москва: ОИВТ РАН. 2014г. с.с.111-116.

2. Бычков Ю.М. Устойчивая энергетика для всех - миф или реальность? Энергетический вестник, №17, 2014г., с.с. 44-50. ISSBN 2075-2318.

3. Патент РФ № 2551145 «Способ получения энергии ветра и преобразование её в другие виды энергии и ветроэнергетическое устройство для его осуществления». Автор Бычков Ю.М. - Опубл. 20.05.2015г.

4. И. Пригожин, Д. Кандепуди. Современная термодинамика от тепловых двигателей до дис-сипативных структур. Пер. с англ., М., «Мир», 2002, 462 с., ISBN 5-03-003538-9.

5. А.А. Александров, Б.А. Григорьев. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. Справочник. М., изд. МЭИ, 203. ISBN 5-7046-0397-1.

6. Александров. А.А., Орлов К.А., Очков В.Ф. Web-версия справочника «Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики». http://twt.mpei.acru/rbtpp/

7. ГСССД 125-88. Воздух влажный. Теплофизи-ческие свойства в диапазоне температур 5...95°С при давлении 99325 Па. http://docs. cntd.ru/document/1200080697