CC BY
4PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF TOWERLESS WIND POWER (part two)
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 (часть вторая)
Лапшин Ю.
д.т.н., проф. профессор кафедры Экологiчно Збалансованих Технологш та Мониторингу, Державна Еколог1чна Академ1я Шслядипломно'1 Oceimu та Управлгння. https://doi.org/10.5281/zenodo.7437474
Abstract
This work is a continuation of an article with an identical title (https://doi.org/10.5281/zenodo.7259015).
Here, new types of towerless wind turbines are considered. These devices may be more difficult to manufacture and operate than Bolonkin designs, but will outperform them in energy efficiency. Calculations proving the last assertion are presented. In addition, the author hopes here to beg pardon from the reader for two mistakes made by him in the previous article.
Аннотация
Данная работа является продолжением статьи (https://doi.org/10.5281/zenodo.7259015).
Здесь рассматриваются новые виды безбашенных ветроэнергетических установок. Эти устройства могут быть сложнее в изготовлении и эксплуатации, чем конструкции Болонкина, но будут превосходить их в энергоэффективности. Приводятся расчеты, доказывающие последнее утверждение. Кроме того, автор приносит извинение за две ошибки, допущенные им в предыдущей статье.
Keywords: energy, power, wind, speed, blade, efficiency.
Ключевые слова: энергия, мощность, ветер, скорость, лопасть, эффктивность.
Введение
В предыдущей части данной работы было доказано, что предложенные А.А. Бололонкиным конструкции могут работать с большей энергоэффективностью, чем ранее предпологалось. Здесь предлагются некоторые модефикации конструкции этого автора, которые поднимут энергоэффективность еще выше. В дополнение к этому, обращается внимание на возможность использования безбашенных энергетических конструкций для достижения других целей. Но основной задачей, которую автор ставит перед собой - это привлечение внимания специалистов к возможности решения (этим путем) проблемы получения экологически чистой, не дорогой энергии с минимальным уроном для окружающей среды. С тем, чтобы, объединив усиля в преодолении технических трудностей, освоить мощный неисчерпаемый энергетический источник ветра больших высот. Эти сложности очевидны. Одна из них это преодоление зоны турбулентности в высотном интервале разновекторного движения слоев воздушных масс. Но эти трудности преода-лимы. Их, практически, не ощущают современные самолеты.
Автор полагает, что проблему обледенения можно решить за счет покрытия поверхности конструкции тонким слоем вещества с малым удельным весом. А принцип действия конструкции, обеспечивающей неуязвимость установки шквальными
ветрами, и идею предохранения от грозовых разрядов автор изложит ниже.
Автор понимает, что китайский проект получения энерги на геостационарной орбите, с последующей передачей этой энергии на земную поверхность с помощью лазерного луча - очень перспективен. Но, не окажется ли эта область геометрически тесноватой? И, не возникнут ли там проблемы с метиоритной пылью и собственными отходами? Или, не окажется ли, что наше предложение будет экономически
предпочтительным? Мы надеемся устоять в конкуренции с Китайцами. Кроме того мы имеем еще один довод в нашу пользу. В период глобального потепления мы не даем дополнительную энергию, а используем энергию ветра, которая и без нас перешла бы в тепло.
Но, вначале, автор приносит свои извинения читателям и редакци журнала за описку (в одина-дцатой строке первой страницы текста вместо цифры 36 должно стоять число 8), а также за подачу в редакцию cхемы, набранной в системе word и не закрепленной в pdf. В результате чего, дефекты компьютерной техники исказили схему. Эта схема (рисунок 3 первой части данной работы) должна была иметь такой вид:
I. О необходимости замены атомной и тепловой энергетики ветроэнергетикой больших высот
Автор считает, что украинское правительство, взяв (под влиянием национальной академии наук Украины) курс на развитие атомной энергетики, допустило стратегическею ошибку [1,2]. Автор убежден, что работа современных атомных станций - это преступление против Человечества. Следует отыскать замену и ископаемым видам топлива. По утверждению В. И. Старикова: «Конец ХХ века ознаменовался многократным увеличением заболеваемости злокачественными опухолями почти всех локализаций. Причем по некоторым локализациям рост заболеваемости продолжается и сейчас (легкие, молочная железа, кожа, предстательная железа, тело матки). Это указывает на усиление воздействия канцерогенных факторов на организм человека» [3]. Стремительный рост онко, сердечно сосудистых и многих других заболеваний - это «заслуга», в основном, энтузиастов развития ядерной энергетики. Разумеется, и терриконы угольных шахт не укрепляют здоровье. Сжигание ископаемого топлива в атмосфере усугубляет ситуацию.
К сожалению, современная возобновляемая энергетика не оправдывает надежд. У башенной ветроэнергетики длинный перечень недостатков: большой расход металла, уничтожение летающих и
проживающих в непосредственной близости животных, неоправданно большой срок окупаемости, отрицательное влияние на окружающую среду. У наземной солнечной энергетики три огромных минуса: занимает неоправданно большую площадь земной поверхности, материалозатратна, трудности с изготовлением и утилизацией отработанного материала конструкции.
У биоэнергетики большое будущее, поскольку, она решает несколько проблем: выработка энергии, утилизация биологических отходов, получение удобрений, уничтожение гельминтов. Недостаток один - малый ресурс. Увеличение этого ресурса за счет специального выращивания биомассы - неэкономично.
Главными преимуществами ветроэнергетики больших высот будут: большой и, сравнительно, стабильный ветроэнергетический потенциал, примерно, в 10 раз меньший расход металла, почти полная безопасность окружающим живым организмам, малый срок окупаемости.
Средние условия, в которых будет работать ветроагрегат, находяшийся на выоте 5 км: плотность воздуха - 0,73654 кг/м3 [4, с.1004], скорость ветра - 17,8 м/с. Это значение скорости ветра определили по графику рисунка 1, заимствованному из
[5].
çn
Ф
10000 9000 0000 7000 ■ 6000 БООО 4000 3000 2000 1000
Yearly Mean Wind Speed - 2007
20
i \ .......i...........i.................... î
ч i / у-
/ f / /
f { J ............../.. /
...................i * : 4 Г ' '"' Л /
1 * ..........;...... / г
/ у s
i i f
Т / Mean Value —э Sigma
70
30 4D 50 ВД Wind Speed (nVs)
Рисунок 1 Изменение скорости ветра с высотой.
S0
Здесь: Mean Value - Средняя Величина, Height (m) - Высота (м), Wind Speed (m/s) - Скорость Ветра.
При этом мощность энергии ветра, проходящего через один квадратный метр живого сечения, будет определяться формулой:
Э = ^V3/2. (1)
Где: Э- удельная мощность ветра, ц -плотность воздуха, V - скорость ветра.
В нашем случае Э = 0,73654 17,8(3)/2 = 2 076,95 кгм/c = 20,36 кВт.
В первой части данной работы было доказано, что коэффициент использования энергии ветра (К) при нормальных условиях (для схемы представленной на рисунке 3) будет равен равен 0,24. Это значит, что для замены атомного блока мощностью (М) 106 кВт достаточно использовать ветропоток с площадью живого сечения ß, определяемой формулой
й=М/(Э К) = 1000000/(20,36 0,24) = 204650 м2. (2) Площадь парусов будет, примерно, в 5 раз больше. Но при приземлении эти паруса будут свернуты. По ориентировочным расчетам автора, монтаж и эксплуатация такой конструкции потребуют отчуждения, примерно, трех квадратных километров земной поверхности.
Атомная энергетика гордиться тем, что её мощности занимают малую площадь земной
поверхности. Но ведь только территория пруда охладителя Чернобыльской АЭС для её шести энергоблоков составляла более 25 квадратных километров. А какие территории занимали службы подготовки ядерного топлива? Да на весы сравнения надо еще положить проблемы добычи, обработки и хранения отходов ядерного топлива. Но главное, чего, вероятно, не смогут простить потомки политикам, поддерживающим развитие ядерной энергетики, - это вред, нанесенный генофонду человечества. Автор проработавший более двадцати лет в институте кибернетики Украинской академии наук, свидетельствует, что уже в восьмидесятых годах прошлого века были получены строгие доказательства того, что при низком давлении на поддержание термоядерной энергии потребуется больше энергии, чем будет получено. Имеются ли теоретические опровержения этого факта? Пока нет.
II. О возможности повышения
эффективности предложенных А.А.
Болонкиным конструкций
1. Здеь мы рассмотрим конструкции с повышенной прозводительностью, которые не нуждаются в громоотводе.
На рисунке 2 представлена схема безбашенной ветроэнергетической установки.
Рисунок 2. Схема безбашенной ветроэнергетической установки
На этом рисунке обозначено: 1 - фундамент установки с осью вращения конструкции (при изменении направления ветра), 2 - жесткая рамная конструкция, опирающаяся на фундамент и колесную систему, обеспечивающую (под действием ветра) ориентацию всей системы на ветер, 3 - кольцевой фундамент, по которому перемещаются колеса - 4, 5 - электрогенераторы, вырабатывающие электроэнергию, в результате вращения колеса - 7 трансмиссией или цепной передачей - 8, приводимой в движение (под действием ветра) парусами - 6 и - 9. Функционирование (натяжение и возвратно-поступательное движение трансмиссии или цепной передачи) осуществляется ветром и поворотной системой -10, поддерживаемой на высоте подъёмным устройством - 11. Это подъёмное устройство, представляющее собой вертолетную систему, приводится в рабочее состояние от наземного источника питания или аккумуляторов, ею (системой) обслуживаемых. Автоматическя ориентация системы на ветер осуществляется самим ветром, благодаря свободному вращению рамы 2 вокруг оси вращения фундамента 1 и свободному вращению колес 4, и их качению по кольцевому фундаменту 3. Не показанное на схеме устройство, предотвращающее аварию при шквальном ветре, представляет собой па-
рус малых размеров, с одной степенью свободы перемещения вдоль трансмиссии. Он (этот парус) через пружину прикреплен к трансмисии. При усилении ветра, малый парус, растягивая пружину, приближается к большому парусу. В точке укрепления малого паруса к пружине ирикреплен шнур. Второй конец этого шнура прикреплен к большому парусу так, что будучи переброшен через блок, его прикрепленный к большому парусу конец вызовет уменьшение ометаемой площади большого паруса, уменьшая таким образом, нагрузку на конструкцию. Увеличение производительности установки можно получить за счет организации подзарядки переносных аккумуляторов в поворотной системе 10. При этом, если трансмиссия выполнена из материалов с большим элекрическим сопротивлением, то коннстукции не понадобится громоотвод.
2. Конструкция повышенной сложности. Рассмотрим схему, представленную на рисунке 3. На этом рисунке обозначено:
1 - фундамент установки с осью вращения конструкции (при изменении направления ветра), 2 - жесткая рамная конструкция, опирающаяся на фундамент и колесную систему, обеспечивающую (под действием ветра) ориентацию всей системы на ветер,
Рисунок 3. Схема наиболее усложненной конструкции
3 - кольцевой фундамент, по которому перемещаются колеса - 4, 5 - электрогенераторы, вырабатывающие электроэнергию, в результате вращения колеса - 7 трансмиссией или цепной передачей - 8, приводимой в движение (под действием ветра) системой ветроколес с генераторами - 6 и - 9. Функционирование (натяжение и возвратнпоступатель-ное движение трансмиссмии или цепной передачи) осуществляется ветром и поворотной системой -10, поддерживаемой на высоте подъёмным устройством - 12, обладающим хорошим аэродинамическим качеством или положительной подъемной силой. В качестве системы - 12 может быть приспособлена вертолетная конструкция, с помощью которой подъёмное устройство приводится в рабочее состояние от наземного источника питания. При достаточной мощности ветра, эта вертолетная конструкция будет и сама вырабатывать электроэнергию, которую, (как и энергию выработанную ветроколе-сами) может направить потребителям. Подъёмное устройство может представлять собой аэростат с изменяемой формой и регулируемым объёмом. В этой системе предусмотрено вращение ветроколес конструкции - 9 и выработка электроэнергии электрогенераторами, являюшимися частью трансмиссии или цепной передачи, на значительной части пути от колеса - 7 до поворотного устройства- 10. На подходе к поворотному устройству - 10 ветро-клеса - 9 складываются. В таком виде они (ветроко-леса) проходят путь до выхода из колеса - 7. На рисунке 3 ветроколеса, находящиеся в сложенном состоянии, показаны под номером - 6. Сложение и приведение в рабочее состояние лопастей ветроко-лес можно осуществлять, например, путем изготовления их из отдельных фрагментов с внутренним (центральным) каналом. А приведение в рабочее состояние осуществлять с помощью натяженяя тяги, проходящей через этот центральный канал.
Соединение поворотного устройства - 10 с подъемным устройством 12 осуществляется гибкими тяжами или жесткими трубками - 11. Роль парусов в данной конструкции выполняют лопасти ветроко-лес конструкции 9. Схема конструкции 9 не приводится в данной статье, а описывается только принцип её работы (приводится данное словесное описание). Сама конструкция 9 является частью трансмиссии 8. Зеленым цветом выделены электрогенераторы, с вращающимися (во взаимно противоположных направлениях) ротором и статором. Вырабатываемая энергия, пройдя полупроводниковый выпрямитель будет поступать в (не показанные на схеме) транспортируемые трансмиссией аккумуляторы. Часть этих аккумуляторов, в ожидании окончания полной зарядки, будет находиться при поворотном устройстве 10. Производительность данной конструкции будет самой высокой, поскольку на электросеть работают два генератора 5, и на подзарядку аккмуляторов работают генераторы системы 9, кроме того на зарядку аккумуляторов работают и генераторы подъемного устройства 12. Согласно нашей методике расчета (изложенной в первой части данной работы) в электросеть от генераторов 5 будет поступать 24% энергии ветра ометаемого ветроколесо 9. В аккумуляторы при ве-троколесе 9 (согласно той же методике) будет 6% от ветроэнергеиического потенциала. Количество энергии, поступающее в аккумуляторы от генератора, находящегося в сисиеме 12 пока не поддется точной оценке.
Побочные возможности использования даных ветроэнергетических установок
1. Наблюдательный пункт противопожарной службы.
2. Элемент оборонной службы [6].
3. Размещение датчиков гидрометерологиче-ской службы.
4. Для управления воздушными потоками (В отдаленной перспективе).
5. Размещение узлов мобильной связи.
Заключение
Грандиозный энергетичный потенциал над нашими головами, каким обладает наш воздух, говорит о необходимости создания ассоциации «Ветроэнергетики Больших Высот». Данная организация, паралельно, будет решать и вопросы строительства и эксплуатации энергоаккумулирую-щих систем в горных условиях. По даннм вопросам обращаться к Лапшину Юрию Серафимовичу. Телефон - 380951034006. Электронный адрес -1апко1@д.иа
Список литературы:
1. Розпорядження КМУ № 497-р ввд 06.06.2018 "Про затвердження плану заход1в з реа-л1зацп етапу "Реформування енергетичного сектору (до 2020 року) "Енергетично! стратеги Украши на перюд до 2035 року "Безпека, енергоефектившсть, конкурентоспроможшсть.
2. М.М. Кулик., В.П. Горбулш, О.В. Кириленко "Концептуальш шдходи до розвитку енерге-тики Украши" (аналггачш матерiали). / Кшв, 1нсти-тут загально! енергетики НАН Украши. 2017. - 78 с. Тираж 300 прим. ISBN 978-966-02-8281.
3. В.И. Стариков, Общая онкология, Харьковский национальный медицинский университет. Учебное пособие, Харьков - 2019, С - 1.
4. И.К. Кикоин, Таблтцы Физических Величин, Москва, Атомиздат, 1976.
5. GUGLIELMO S. AGLIETTI, STEFANO REDI, ADRIAN R. TATNALL, THOMAS MARK VART// High Altitude Electrical Power Generation/School of Engineering Sciences University of Southampton Highfield, Southampton, SO17 1BJUNITED KINGDOM, 2007,gsa@soton.ac.uk.
6. Ю.С. Лапшин. РЕШЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ ОБОРОННОЙ СИСТЕМЫ https://sci-conf.com.ua/wp-content/uploads/2022/11/MODERN-RESEARCH-IN-WORLD-SCIENCE-29-31.10.22.pdf
