CC BY
6PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF TOWERLESS WIND POWER
Lapshin Yu.
d.t.n., prof., professor of the department ecologically balanced technologies and monitoring, State Environmental Academy of Postgraduate Education and Management
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ БЕЗБАШЕННОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ
Лапшин Ю.
д.т.н., проф. профессор кафедры «Экологiчно збалансованих технологш та мониторингу, Державна
Еколопчна Академш Шслядипломног Oceimu та Управлтня https://doi.org/10.5281/zenodo.7259015
Abstract
The established view on the principle of action of high-speed windmills is denied. A solution is provided that determines the force of wind pressure on a symbolic blade, and it is also proven from practical data that the efficiency of low-speed systems (under certain conditions) is much higher than the theoretically established limit. Some practical recommendations for increasing the efficiency of towerless low-speed (sailing) wind energy systems are given, and references are made to theoretical evidence of the possibility of using wind energy at a height of five kilometers.
Аннотация
Отрицается устоявшийся взгляд на принцип действия быстроходных ветроколес. Приведено решение, определяющее силу давления ветра на лопасть, а также, на основе практических данных доказано, что эффективность тихоходных систем (при определенных условиях) значительно выше теоретически установленного предела. Даны некоторые практические рекомендации по повышению эффективности безбашенных тихоходных (парусных) ветроэнергетических установок, а также, приведены ссылки на теоретические доказательства возможности использования энергии ветра на высоте до пяти километров.
Keywords: energy, power, wind, speed, blade, high speed, efficiency.
Ключевые слова: энергия, мощность, ветер, скорость, лопасть быстроходность, эфективность.
Введение
Ветроэнергетика сегодняшнего времени имеет множество недостатков и справедливо критикуется. Начнем с того, что, рекламируя свою продукцию, фирмы, создающие ветростанции, называя но-минальню мощность предлагаемых установок, указывают мощность, которую достигает ветростанция при скорости ветра 12 м/с.
Неискушенный заказчик полагает, что это средний показатель выработки энергии. Имея в натуре среднюю скорость ветра 6 м/с, он (заказчик) получит в 36 раз меньший энергетический эффект. Кроме того, в практике будут периоды слабых и слишком сильных ветров. В это время станция будет простаивать. Огромный расход металла. Вредное воздействие на окружающую среду в сфере действия быстроходной ветроэнергетическй станции. Но появилась уверенность, что все это останется в прошлом.
Существенный энергетический потенциал, как будет показано в данной работе, может быть освоен тихоходными ветроэнергетическими системами, что снимет множество экологических проблем, вызываемых быстроходными ветроэнергетическими станциями.
Большой вклад в развитие ветроэнергетики внесут безбашенные ветростанции станции заоблачных высот (авторское предложениие) [1 с 92]. Правда, этот вариант потребует сужения авиационных коридоров. Но если эти станции разместить на
вершинах гор, то ущерб аэрофлоту будет минимальным. Ветроэлектростанции будут не дорогими. В условиях гор легче решаются проблемы строительства гидравлических и гравитационных аккумулирующих станций.
Существенную помощь в разрешении проблем развития этих направлений ветроэнергетики окажут методы математического моделирования [1 а 92].
I. О принципе работы быстроходных ветроколес и некоторых вопросах безбашенной энергетики
Энтузиастом развития безбашенной ветроэнергетики больших высот был проф., д.т.н. Александр Александрович Болонкин. Им предложено несколько схем ветроустановок, способных (по его мнению) обеспечить освоение ветроэнергетического ресурса в высотном диапазоне от одного до четырнадцати километров [2 а 16]. Эти предложенные Александром Александровичем схемы работоспособны, но ошибочным является утверждение, что при наличии материалов с современными прочностными характеристиками возможно обеспечить экономически оправданную реализацию этих конструкций. Автором в соавторстве с С.А. Адашовым была предложена некотороя модификация одной из предложенных А.А. Болонкиным тихоходных схем [3 с. 50].
Основные недостатки работы Александра Александровича - отсутствие расчетов, определяющих прочностные свойства элементов предложенных им конструкций и неправильный учет аэродинамических нагрузок на конструктивные элементы. Поэтому, им получены завышенные результаты эффективности. В частности, им принят коэффициент эффективности быстроходной системы - 0.5, в то время как в реальности будет значительно ниже. А аналогичный коэффициент тихоходной системы (по Болонкину, а также принятый авторами работы [6. с. 50]) - 0,2. В действительности, он существенно больше. Доказательству последнего обстоятельства посвящается вторая часть данной работы. А в первой части рассмотрим принципы расчета лопастей ветроагрегатов, использование которых целесообразно в некоторых рекомендуемых нами конструкциях.
На коэффициент эффективности использования энергии ветра влияют два обстоятельства -форма надветренной и подветренной стороны (С какой стороны выпуклость?) и величина образовавшегося вакуума с подветренной стороны.
О роли подветренного вакуумирования следует поговорить отдельно. Дело в том, что принцип работы быстроходных ветроустановок объясняли не корректно. Господствует утверждение, что вращение ветроколеса обеспечивает подъёмная сила.
которая образуется в результате обтекания лопасти воздухом. Теоретическое обоснование принципа работы лопасти строилось в предположении, что есть так называемый присоединенный вихрь. Иными словами - циркуляция. Эта расчетная схема имеет математическое описание как формула Кутта-Жуковского [4. с. 35]. Но, в нашем случае, эта расчетная схема будет приводить к большим погрешностям. При скоростях вращения быстроходных колес (диаметром более 150 м) и поступательной скорости обода колеса, многократно превышающей скорость ветра, следует отказаться от предположения об однородной сплошности расчетной среды.
В действительности, движущую силу лопасти обеспечивает образование вакуумной области, возникающей (при движении) с подветренной стороны лопасти. На рисунке 1 показан поперечный разрез лопасти, представющей собой тонкий лист - АВ. В наших рассуждениях пренебрежем его (листа) толщиной, но предположим его прочным и недефор-мируемым. Лист имеет две степени свободы: (первая) вращение относительно линии, проходящей через точку, делящую линию лопасти (АВ) пополам, (эта лопасть перпендикулярна плоскости рисунка), (вторая) движение внаправлении линии АВ. Эта линия- перпендикулярна направлению ветра.
Рисунок 1. Поперечный разрез лопасти.
Осушествляем следующий мысленный эксперимент. Предположм, что воздух находится в нормальных условиях. Но все его молекулы пребывают в движении со скоростью 540 м/с. И скорость ветра равна 540 м/с. Наша лопасть на на скорости многократно превышающей скорость ветра пересекает ветровой поток. Вычислим давление на единицу площади, которое испытывает лопасть. Очевидно, что с подветренной стороны давление будет равно
нулю. А с наветренной - получаем сумму нормального давления и результа изменения количества движения воздуха за единицу времени.
В итоге имеем:
10 т /м2+ 1,225 кг/м3 * 540*540 м = 367,21 т/м2.
Мы рассмотрели простой предельный случай. С целью пояснения предлагаемой расчетной схемы, делаем второй шаг. Посмотрим на рисунок 2.
Рисунок 2. Поперечный разрез лопасти.
Этот рисунок отличается от рисунка 1 тем, что на нем представлена та же лопасть, но к этой лопасти (по всей её длине) прикреплена шарнирно, но в работе жестко закреплена, узкая пластина (ВС), с теми же свойствами, что и у самой лопасти. Угол СВБ - р. Линия ВБ является условной. Она нанесена на рисунок, для придания наглядности углу -
Р.
Допустим, что скорость ветра 2 ^ 20 м/с. Все остальные условия, принятые в первом эксперименте, сохраняются и для второго случая. Теперь, нам не понадобятся усилия для приведения лопасти в движение. Предположим, что энергетические потери на трение отсутствуют. Считаем также, что нам удалось мгновенно установить лопасть в это исходное положение. Что произойдет? Лопасть начнет смещаться по линии АВ, в направлении от точки В в сторону точки А. Это движение будет происходить под действием двух сил - давления ветра на наветренную сторону участа ВС и уменьшения силы давления на подветренную сторону этого участка. В начальный момент масса воздуха -М, поступившая на единицу длины лопасти ВС за единицу времени, будет определяться формулой: М = ц- V•L•CosP, (1)
Где: ц - плотность воздуха, V - скорость ветра Ь - ширина участка лопости, т.е. длина участка ВС. В результате соударения потока воздуха с пластиной ВС, воздушный поток разделится на два взаимопротивоположных течения. Большая часть воздушного потока - Мб последует от точки соударения с преградой до точки С. Меньшая часть (Мм) -последует в противоположном направлении. В точке разделения этих потоков вектор давления воздуха будет перпендикулярен линии ВС. Очевидно, что
Мб + Мм = М = ц- V•L•Cosp. (2) Изменение количества движения в потоке с большей массой за единицу времени будет определяться формулой:
Р = 2 Мб^(1 - р-4/л). (3)
И аналогичной формулой противоположного потока:
Р = 2 Мм^(1 + р-4/л), (4)
где Р - сила давления ветра на рассматриваемый участок лопасти.
Последние две формулы вытекают из закона равенства силы изменению количества движения при сохранении модуля скорости и пренебрежении потерями энергии в месте ударения потока ветра о преграду.
Решая систему последних трех уравнений, получаем:
Мб = ц- V•L•CosP • (1 + р-4/л)/2, (5) Мм = ц- V•L•CosP • (1 - р-4/л)/2, (6) Р = ц- ^Ъ-^Р { (1 + р-4/л) + (1 - р-4/л)}/2. (7) Равнодействующая силы Р представлена на рис. 2 стрелкой. Составляющая этой силы - Рс, обеспечивающая движение лопасти по линии ВА, равна:
Рс = ц- V2•L• Бтр -(^р •{ (1 + р-4/п) + (1 - р-4/п)}/2. (8) Итак, мы опредеделили сдвигаюшее усилие ветра в начальный момент (в состоянии покоя). В процессе движения (с увеличением скорости) это тяговое усилие начнет уменьшаться. Построим прямоугольный треугольник, у которого один из катетов - вектор скорости ветра, а длина второго - скорость перемещения нашей лопасти. Окажется, что если угол этого треугольника, лежащий протв второго катета менше р, то это будет означать, что ветер не способствует движению лопасти, а тормозит её.
А в наших быстроходных системах (при длине лопасти свыше 80 метров) данное явление всегда имеет место. Оно неустранимо. Хорошо, что эти потери энергии перекрываются работой подветренной стороны лопасти.
Понижение давления на подветренной стороне лопасти, созданное
инерцией движения водушной массы относительно лопасти, является основной движущей силой ветрового колеса быстроходных систем, а не «подъёмная сила».
И этот же вакуум, образовавшийся с подвет-ренней стороны, повышает (хотя и в меньшей степени) эффективность работы тихоходных ветро-установок. А в быстроходных системах полезную работу выполняет только разряжение воздуха на подветренной стороне участка ВС лопасти. Именно такая конструкция (предельно тонкой и заостренной в точке А) будет идеальной. При этом, чем больше скорость ветра, тем больше должно быть расстояние АВ (раздвижная лопасть).
Разумеется, что практическое изготовление такой лопасти для вращаюшего ветроколеса, работающего в широком диапазоне скоростей ветра, будет очень сложным. По этой причине, следует проработать вариант не врашательного, а поступательного перемещения лопастей. В таком случае, будут неизбежны энергетические потери на участках смены направления движения лопастей на противоположное. Эти потери, вызванные изменением количества движения массы лопастей и движущейся ленты, будут обратнопропорциональны длине прямолинейного участка. Поэтому, саму дви-жущуюсю часть конструкции понадобится изготавливать из материалов с малым удельным весом и (по возможности) длинной.
Участок ВС для идеальной лопасти может не оставаться прямолинейным. Его форма и оптимальный размер (как и угол в) также будут меняться в зависимости от скорости ветра. Этот участок (ВС), перемещаясь во встречном потоке разряженного воздуха должен иметь обтекаемую форму и может
быть раздвижным, как и участок АВ, расширяясь с увеличением скорости ветра и сужаясь в противоположном случае.
И еще одно пожелание: необходимо сосредоточится на вопросе, поставленном А.А. Болонки-ным, - уделить внимание освоению ветроэнергетического потенциала больших высот. Начальные проработки содержатся в работе [1. с. 92].
Для стран, имеющих на своих территориях горные участки, изложенные сведения особенно актуальны.
II. Bетроустановка парусного типа с наземным размещением генератора
Ветроэнергетическая установка с наземным размещением генератора (парусного типа), отличающаяся наличием поворотного устройства, поддерживаемого специальной системой, имеющей избыточную подъёмную силу для удержания в рабочем положении поворотного устройства в воздухе (рис. 3).
Рисунок 3. Схема парусной ветроустановки.
Приводим доказательство достаточно высокого коэффициента использования энергии ветра этой конструкции.
Математическое моделирование работы этой установки, выполненное в [3. с 50], позволило правильно определить оптимальную скорость движения парусов, но авторы существенно занизили энергетический эффект данной системы. Коэффициент, учитывающий непредвиденные потери энергии, был завышен, а эффекты, повышающие производительность, не были учтены.В результате коэффициент использования энергии, по мнению этих авторов, - 0,2. В действительности, каждый парус такой конструкции работает в режиме парашюта
[5].
Этот парашют, опускаясь со скоростью 5 м/с, (при весе парашюта и парашютиста - 120 кг) развивает мощность - 120^2,5 = 300 кГм/с = 2,941 кВт. Или (с учетом того, что площадь парашюта- 83 м2,
а ометаемая площадь- 47 м2) имеем - 2,941/47 = 0,0625 кВт/м2. Удельная мощность ветра - при нормальных условиях, в нашем случае, будет 1,225^7,53/19,6 = 26,53 кГм/с = 0,26 кВт/м2. Т.е. коэффициент использования энергии ветра равен 0,0625/0,26 = 0,24 .
Пояснение: определение величины ометаемой площади осуществлялось путем измерения соотно-шенния диаметра купола парашюта и длины строп (9 м) на фотогафиях, фиксирующих опускание парашютиста.
Но и этот результат расчета дает заниженное значение коэффициента использования энергии ветра. При этом расчете не учтено образование дополнительного вакуума на подветренной стороне преграды при рыскании паруса (купольное отверстие парашюта увеличивает скорость его опускания и снижает рыскание). Уменьшение этого отверстия повысит коэффициент использования энергии
ветра. А самую большую добавку к использованию этой энергии даст освоение энергии сильных воздушных потоков значительных высот. Также, не сложно, искусственно, обеспечить дополнительное рыскание парашюта. Нетрудно обеспечить и циркуляцию (силою ветра) по кругу (точнее по спирали) всей парашютной системы, оставив неподвижным генератор, а приводя в движение по кругу (перпендикулярному направлению движения парусов) поворотную часть конструкции. При этом (за счет повышения вакуума с подветренной стороны паруса) увеличится тяговое усилие.
Автору представляется, что для апробации предложенной системы целесообразно изготовить из парашютов действующий макет. Три десятка таких парашютов обеспечат работу ветроустановки мощностью 50 ^ 80 кВт. В этом случае функции аэростата или вертолетной состемы можно доверить большому воздушному змею. В данном случае, этим воздушным змеем может послужить один из парашютов, если его переделать в гибкое крыло.
Но если говорить о таких конструкциях большой мощности, то экономичными (при гарантированной безопасности работы) окажутся системы, в которых будет небольшое количество парусов большой площади. Для определения рационального соотношения между площадью паруса и расстоянием между парусами потребуется решить не сложную задачу оптимизации.
Заключение
Основным фактором, определяющим эффективность быстроходных ветроколес и парусов, является не скорость ветра с наветренной стороны ветроколеса и действие присоединенного вихря, а проекция на ось вращения ветроколеса скорости дижения воздуха с подветренной стороны ветроко-
леса. Эту проекцию скорости существенно увеличивает быстрое смещение или рыскание ветроко-леса (а также паруса) в направлении перпендикулярном вектору скорости ветра. Это то направление поисков, в котором следует отискать оптимальный режим эффективности конструкции.
Доказано, что в одной из предложенных А.А. Болонкиным (и модернизированной авторами работы [3. с. 50]) конструкций коэффициент исполь-зоавния энергии ветра будет более чем на 20% выше, чем это предположил А.А. Болонкин и авторы работы [3. с. 50]).
Одной из задач дальнейших исследований является определение коэффициента эффективности для широкого диапазона скоростей ветра. Для чего следует установить зависимость скорости опускания парашюта от веса опускаемого на парашюте груза. Полторы скорости опускания будут соответствовать скорости ветра. А вес груза будет равен тяговому усилию нашей конструкции.
Список литературы:
1. Ю.С. Лапшин. О возможности использования энергетического потенциала Атмосферы значительных высот. Ж. Еколопчш Науки, № 21/2018, С - 92 - 96.
2. Болонкин А. А. Utilizftion of Wind Energy at Higt Altitude. Presented in International Energy Conversion Engineering Conference at Providence., RI,Aug. 2004. С - 16 -19.
3. Ю. С. Лапшин, С. А. Ардашов. Безбашенная ветроэнергетическая установка. Ж. Вютник КрНУ. Випуск 3(80). 2013. С. 50 - 53.
4. Жуковский Н. Е. О присоединенных вихрях, Избр. соч., т. 2, М. — Л., 1948. С - 35.
5. И.А. Геросименко. Военно-десантная подготовка, часть 1. Веениздат. Москва. 1986. С - 35.
ENVIRONMENTAL THINKING
Zholmuratova G.
Master of Technical Sciences in the specialty "Life Safety and Environmental Protection" teacher of the Kazakh-Russian International University,Aktobe
ЭКОЛОГИЯЛЬЩ ОЙЛАУ
Жолмуратова Г. С.
Техника зылымдарыныц магистрi, Цазащ-Орыс халыщаралыщуниверситеттщ ощытушысы,Ащтвбе
цаласы
https://doi.org/10.5281/zenodo.7259032
Abstract
The negative consequences of ill-considered use of scientific knowledge in the form of the negative impact of mankind on nature is a high price to pay for the success of scientific and technological progress. The article makes an attempt to avoid anthropocentrism when considering environmental problems. But this is not ecocen-trism, but rather an experience of philosophical understanding of the universal dependence and significance of every earthly organism.
Авдатпа
FbrnbiMH магщматтарды адамзаттыц табигатка келецаз эсер eTyi турвдеп ойланбай пайдаланудьщ Tepic салдары -б^л гылыми техникальщ прогресс жепсппнщ жогаргы епмгБ^л макалада экологияльщ мэceлeлepдi карастыру барысында антропоцентризмнен кету эрекеп жасалды.
Keywords: ecology, life, information, Gaia's hypothesis, organism, population, biosphere, anthropocentrism
