CC BY
22ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
WIND ENERGY
Статья поступила в редакцию 30.04.13. Ред. рег. № 1627
The article has entered in publishing office 30.04.13. Ed. reg. No. 1627
УДК 631.544
КОМБИНИРОВАННАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ-ТЕПЛИЦА И.А. Антуфьев, Р.А. Серебряков
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства 109456, Москва, 1-й Вешняковский пр-д, д. 2 Тел. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru
Заключение совета рецензентов: 06.05.13 Заключение совета экспертов: 13.05.13 Принято к публикации: 15.05.13
В статье предлагается новый подход к получению больших количеств электрической энергии с помощью ветроэлектростанций с использованием вихревых турбин для восходящих потоков воздуха и турбин для сильных ветров на высотах более 100 м. Электростанция совмещена с теплицами и/или другими производственными предприятиями для экономичной утилизации электроэнергии.
Ключевые слова: ветроэнергетика, вихревые электротурбины, теплицы.
COMBINED WIND POWER STATION-GREENHOUSE I.A. Antufyev, R.A. Serebryakov
All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru
Referred 06.05.13 Expertise: 13.05.13 Accepted: 15.05.13
The article offers a new approach to produce large quantities of electric energy using wind-power plants utilizing vortical turbines with ascending fluxes of air and strong winds at heights of more than 100 meters. Power plant is combined with greenhouses and/or other industrial enterprises for efficient utilization of electricity.
Keywords: wind energy, vortical electric turbines, greenhouses.
Идея использования ветра для бытовых нужд человечества насчитывает тысячи лет. Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX веке в Дании. Там, в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 метра и четырёхлопастные роторы диаметром 23 метра. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров. К 1941 году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт [1]. Идея нашла поддержку в умах прогрессивного человечества, и уже сегодня в Евросоюзе поставлена задача добиться получения от возобновляемых источников до 30 процентов и более электроэнергии (в Германии сейчас - 27%, в Дании - 20%, в Англии - 17%, в России - 0,1%). Закономерен вопрос: почему так мало в России, а в других странах много больше?
Ответ ясен уже при первичном анализе. Эффективное применение предлагаемых рынком ветроэлекгрогенераторов в России невозможно в силу конструкционных особенностей этих лопастных ветряков и низкого потенциала ветров на равнинных территориях страны. Для эффективной работы самых совершенных лопастных ветряков, вырабатывающих электричество, необходима скорость ветра более шести метров в секунду. Такой средней скоростью ветра обладают территории на Дальнем Востоке, на Сахалине и в приморских зонах, на остальной территории скорость ветра крайне редко достигает 4,5 м/с, что не обеспечивает условий эксплуатации лопастных ветроэлектро-генераторов.
Углублённый анализ проблемы показывает, что создание лопастных ветряков, которые чуть ли не насильно внедряют во всех странах, ведёт человечество по тупиковому пути, образное определение которому: «терпи, если хочешь выжить». Подобные ветряки при любой степени идеальности конструкции никогда не удовлетворят
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
человека ни по объёму вырабатываемой электроэнергии, ни по физиологической переносимости устройства. Департаменты здравоохранения многих стран завалены жалобами на «несносные моргалки», на плохую переносимость «вертушек» в зоне проживания людей. Кроме того, вблизи лопастных станций наблюдается массовая гибель летучих мышей, полезных для нас с вами, а также весьма вредный для человека инфразвук. Помимо этого, лопастные ветрогенераторы сильно мешают всем системам радиосвязи.
Гипноз от таких «совершенных» конструкций проходит, когда человек начинает мыслить не кухонными понятиями (горячая вода, тёплый туалет), а категориями развития регионов (продовольственное обеспечение нации, выплавка алюминия и т.п.). Россия, в которой около 70 процентов территории почти не электрифицировано, уже давно обязана думать категориями развития регионов. Однако здесь масса устоявшихся предрассудков и даже неприличных заблуждений. Одна только «горячая вода» при нынешних воззрениях на её получение может привести к краху всю цивилизацию в огромной стране.
Тепловые котельные, от которых мы никак не можем избавиться как в теоретическом, так и в практическом планах, ведут страну в дебри невежественной отсталости, в экологический беспредел и энергетический тупик. Тепловые котельные - термин давно прошедших веков. Даже само понятие «энергосбережение», связанное как раз с экономией топлива, является абсурдным по сути, поскольку развитие регионов страны непременно сопряжено с увеличением энергопотребления на душу населения во много раз, не в пример нынешнему. У нас имеются регионы даже с полным отсутствием энергоснабжения, что несовместимо с понятием «цивилизация».
Крайне перспективной в этом свете видится строительство ветроэлектростанций с эксплуатацией вихревых эффектов, как предложено в конструкции вихревых ветротурбин Р.А. Серебрякова [2-6], что позволит не только вырабатывать энергию на ветрах со скоростью 2,5-3,5 м/с, но и даст возможность работы ветряка от восходящих тепловых потоков, а также избавит нас от непереносимых человеком низкочастотных шумов, присущих любой лопастной ветроустановке.
Вихревой эффект, внешне простой, на самом деле обусловлен настолько сложными
гидродинамическими процессами, происходящими в турбулентном потоке сжимаемого газа, что классической теории вихревых потоков не создано до сих пор. Однако использовать его мы можем очень эффективно уже сейчас.
С другой стороны, серьёзные намерения использовать ветер как источник энергии почти не затрагивают вопрос использования сильных ветров на высотах более 150 метров, что действительно
составляет энергетический резерв, мощность которого даже трудно оценить. Отсутствие научной проработки этого вопроса порождает заблуждения о неэффективности аэротурбинных станций даже высотой 195 метров [7]. Это положение оспаривается А.И. Чабановым и В.П. Севастьяновым [8], но в обоих случаях не анализируется и даже игнорируется гораздо более эффективная сила - это мощность горизонтального ветра на высотах более 100 метров. Ветра по своей силе на высотах 100150 м относятся к крепким штормовым, а на высотах 200 и более метров - к ураганным (рис. 1).
___ . /1 t A — —
--L j f I —
_ / I fei —j- [ __
----Г / if t 1-1 / -L T —
ь ___ __ r—|-[/" E: _j_
— z —I—/1— У —
' Tr I t z: —
h к (
! Z — - Sz z -
— An - ZI -i— ____ ■ Щ
ЛГ Щ — z
V —f— Щ /l/f FTZT f- L Щ — Л— i — — — z d
Рис. 1. Зависимость скорости ветра [Ув=/(Н)] от высоты при базовой (на высоте 2-3 метра) скорости у поверхности земли: 1 - 2 м/с; 2 - 4 м/с; 3 - 5 м/с; 4 - 6 м/с Fig. 1. Dependence of wind speed [Ув=/ (H)] on height at base speed (at height of 2-3 meters) on a surface: 1 - 2 m/s, 2 -4 m/s, 3 - 5 m/s, 4 - 6 m/s
Эти мощности в несколько раз выше восходящих потоков воздуха и могут быть использованы со значительно большим коэффициентом полезного действия для ветровых устройств. Для таких сильных ветров также могут быть использованы турбины и ветроэлектроустановки И.А. Антуфьева [9-12].
Робость в мышлении мешает нам понять, что для нынешнего периода истории России более приемлем лозунг: «Не экономь, где не следует, но расходуй целесообразно». Пора говорить о высоких стандартах энергоснабжения и только о целесообразном энергопотреблении, но ни в коем случае не об энергосбережении, особенно при внедрении новых идей и разработок в так необходимом для нас процессе развития отдалённых регионов. А что касаемо тепличных предприятий, то здесь как раз наоборот, целесообразно использовать старые лампы накаливания, у которых 3-5 процентов энергии излучается в форме света (благоприятного для растений) и более 90 процентов - в форме мягкого, ровного тепла. На подобных предприятиях рассеивание тепловой энергии является благом, а не
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
отсталостью в мышлении. Мы уже давно на пороге проблемы: мыслить рационально, в соответствии с реальными потребностями и особенностями разных сфер нашей российской жизнедеятельности.
Большую и важную роль в развитии регионов России могли бы сыграть комбинированные ветроэлектростанции - теплицы (они же - фабрики, заводы, фермы, обогатительные цеха, зверофермы и др.), экологически благоприятные для человека, устойчивые к любым природным катаклизмам и использующие как восходящие потоки воздуха, так и силу горизонтальных ветров большой мощности.
Для этих целей мы предлагаем сооружать башни с внутренней трубой и расположенными в ней ветротурбинами для восходящих потоков воздуха и, так называемыми, силовыми горизонтами, где установлены турбины оптимальной конструкции для горизонтальных направлений потоков воздуха (то есть ветров). Диаметр башни в предпочтительном варианте составляет 150 м, а высота, в предпочтительном варианте, достигает 500 и более метров. Это, практически, город.
Силовые горизонты (наше обозначение этажа, на котором установлены ветротурбины) для использования ветров чередуются по высоте с горизонтами, в которых выполнены теплицы (тепличные горизонты) с гидропонным выращиванием растений при искусственном освещении (по типу светокультуры).
Комбинированная электростанция-теплица 1 (рис. 2) выполнена в форме башни круглого или другого сечения с большим количеством горизонтов (междуэтажных помещений), предпочтительно более 50-ти, имеет по центру трубу - воздуховодный вертикальный канал 3 (расширения диаметра канала не показаны) с входными воздуховодами 4 и установленными в канале ветротурбинами 5. Вертикальный воздуховодный канал окружён по высоте здания другой трубой или каналом 6, разделённым горизонтальными перекрытиями (не показаны) для создания служебных и ремонтных помещений. На верху башни установлен дефлектор 7 для выхода вертикального воздушного потока воздуха и крыша 8 дефлектора. На крыше выполнены солнечные панели (не показаны). На конусообразной части 9 башни также установлены солнечные панели (не показаны). Башня выполнена на соответствующем расчётном фундаменте 10 с упрочняюшим основанием 11.
Этаж с ветротурбинами (силовой горизонт) разделён по внешней окружности на сектора (в предпочтительном варианте - 20 секторов), по одному сектору на каждую турбину. Стены секторов являются концентраторами воздушного потока и имеют направляющие для изменения ветропотока в соответствии с применяемыми ветротурбинами (например, для придания потоку воздуха вихреобразного движения и снижения паразитных шумов), а также в соответствии с допустимой силой
ветра для конкретного вида турбин. Самая широкая область сектора (вход в сектор снаружи) оборудован заслонками с возможностью опускаться или изменять своё положение другим способом с целью перекрытия и/или изменения потока воздуха в секторе.
Рис. 2. Комбинированная ветроэлектростация-теплица Fig. 2. Combined wind power station-greenhouse
Для уменьшения сопротивления восходящему потоку воздуха внутренний вертикальный канал башни выполнен с постепенным увеличением его диаметра по направлению к верхней границе башни.
Башня в вертикальном направлении разделена на горизонты двоякого назначения: силовые горизонты 12 (рис. 3) и культивационные тепличные горизонты 13. В силовых горизонтах выполнены турбины 14 и заслонки 15, а также опорные колонны 16. Для более эффективного использования ветра на силовых горизонтах созданы стены 17 секторов (рис. 4), выполняющие роль концентраторов воздушного потока. На всех этажах (горизонтах) выполнены лифты 18.
Работает комбинированная электростанция-теплица следующим образом. По части вертикального (теплового) потока воздуха процесс протекает по следующей схеме. Более тёплый воздух у поверхности земли входит в воздуховод 4 (рис. 2) и по воздуховодному каналу 3 поднимается вертикально в зону более холодного воздуха на высотах выше 100 м., приводя в движение турбины 5 и покидая башню через дефлектор 7.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
^ о 1Г 13 1 rra^
-
^ rJ=ln II I rJ=L,
1
У
TM
турбины 14 (рис. 3 и 4). Полученная электроэнергия утилизируется в теплицах, выполненных в культивационных горизонтах 13 (рис. 3).
Важно пояснить, что вертикальные восходящие потоки воздуха усиливаются и модифицируются горизонтально направленными потоками воздуха (ветрами), что приводит к повышенной турбулентности вертикального потока воздуха. В таком потоке установлены особые турбины ВВЭУ-0,5 конструкции Р.А. Серебрякова (рис. 5), способные работать эффективно даже при скорости потока 2,5 м/сек.
Рис. 3. Вертикальный разрез здания Fig. 3. Vertical section of the building
По части горизонтальных потоков воздуха (ветров) процесс проходит по следующей схеме. Ветер любого направления входит в пространство сектора со стенами-концентраторами 17 (рис. 4) воздушного потока, минуя заслонку 15 и раскручивая турбину 14.
Рис. 5. Вихревая ветроэлектроустановка Р.А. Серебрякова Fig. 5. Vortex wind power installation by R.A Serebryakov
Вихревая ветроустановка Р.А. Серебрякова испытана на аэродинамических трубах и показала удивительно стабильные характеристики по вырабатываемой мощности электроэнергии (рис. 6).
N,
0.6.
0,4: 0,3 0,2 i-0,1 i
Рис. 4. Горизонтальный разрез строения Fig. 4. Horizontal section of the building
Выход воздушного потока из сектора ничем не ограничен, и воздушный поток, минуя колонны 16, огибает центральные каналы 3 и 6 (рис. 2), затем выходит через сектора на противоположной стороне башни, раскручивая при этом расположенные там
V/ ? /
№
#
I
>
евэу-о,5 - TORNADO
10 15 ШЕКСНА-1— -— ВЭС-0.5---
20 25
---УВЭ-500
---LMW-600
V, м\е
Рис. 6. Сравнительные характеристики разных ветровых источников энергии Fig. 6. Comparative characteristics of different wind energy sources
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Предложенная комбинированная ветроэлектро-станция высотой 500 м способна вырабатывать более 10 МВт электроэнергии, что является серьёзной
Список литературы
1. Ветроэнергетика. Википедия. Шр://ги^1к1ре&а.о^М1к1/Ветроэнергетика.
2. Патент 2093702 Россия МКИЗ Р03Б3/04. Вихревая ветроустановка / Серебряков Р.А. // 1992. Опубликовано: 20.10.1997.
3. Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Толстоногов А.П., Вихревая ветроэнергетическая установка // Ракетно-космическая техника. 2000. Сер.ХП. С.48-73.
4. Серебряков Р.А., Бирюк В.В. Практическое применение вихревого эффекта // Конверсия. 1994. № 10. С. 19-20.
5. Серебряков Р.А. Некоторые вопросы теории вихревой энергетики // Научные труды ВИЭСХ. 1996. Т. 85. С. 34-54.
6. Серебряков Р.А. Вихревая энергетика // Научные труды ВИЭСХ. 2000. Т. 86. С. 80-92.
7. Лысов В.Ф. Аэротурбинные электростанции // Энергия. 1991. № 6. С. 3941.
8. Патент 2265161 Россия МКИЗ Р2412/00, Б2412/42. Способ преобразования солнечной энергии в электроэнергию большой мощности / Чабанов А.И., Севастьянов В.П. // 2005. Бюл. № 33.
9. Патент 2443901 Россия МКИЗ Р03Б3/00 2006.01). Турбина для больших ветровых нагрузок / Антуфьев И.А. // 2012. Бюл. № 6.
10. Патент 2333384 Россия МКИЗ Р03Б11/00 (2006.01). Градообразующая ветроэлектростанция / Антуфьев И.А. // 2008. Бюл. № 25.
11. Патент 2332585 Россия МКИЗ Р03Б11/00 (2006.01). Ветроэлектростанция - градообразующий фактор / Антуфьев И.А. // 2008. Бюл. № 24.
12. Патент 2421873 Россия МКИЗ Н02М1/00 (2006.01). Экологическая электростанция / Антуфьев И.А. // 2010. Бюл. № 28.
поддержкой и стимулятором в развитии любого региона страны.
References
1. Vetroenergetika. Vikipedia.
http ://ru.wikipedia.org/wiki/V etroenergetika.
2. Patent 2093702 Rossia MKIZ F03D3/04. Vihrevaa vetroustanovka / Serebrakov R.A. // 1992. Opublikovano: 20.10.1997.
3. Serebrakov R.A., Biruk V.V., Tolstonogov A.P., Vihrevaa vetroenergeticeskaa ustanovka // Raketno-kosmiceskaa tehnika. 2000. Ser.XII. S.48-73.
4. Serebrakov R.A., Biruk V.V. Prakticeskoe primenenie vihrevogo effekta // Konversia. 1994. № 10. S. 19-20.
5. Serebrakov R.A. Nekotorye voprosy teorii vihrevoj energetiki // Naucnye trudy VIESH. 1996. T. 85. S. 34-54.
6. Serebrakov R.A. Vihrevaa energetika // Naucnye trudy VIESH. 2000. T. 86. S. 80-92.
7. Lysov V.F. Aeroturbinnye elektrostancii // Energia. 1991. № 6. S. 3941.
8. Patent 2265161 Rossia MKIZ F24J2/00, F24J2/42. Sposob preobrazovania solnecnoj energii v elektroenergiu bol'soj mosnosti / Cabanov A.I., Sevast'anov V.P. // 2005. Bul. № 33.
9. Patent 2443901 Rossia MKIZ F03D3/00 2006.01). Turbina dla bol'sih vetrovyh nagruzok / Antufev I.A. // 2012. Bul. № 6.
10. Patent 2333384 Rossia MKIZ F03D11/00 (2006.01). Gradoobrazuusaa vetroelektrostancia / Antufev I.A. // 2008. Bul. № 25.
11. Patent 2332585 Rossia MKIZ F03D11/00 (2006.01). Vetroelektrostancia - gradoobrazuusij faktor / Antufev I.A. // 2008. Bul. № 24.
12. Patent 2421873 Rossia MKIZ H02N11/00 (2006.01). Ekologiceskaa elektrostancia / Antufev I.A. // 2010. Bul. № 28.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
