CC BY
35
УДК 621.548
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ
©
Серебряков Р.А., Доржиев С.С., Базарова Е.Г.
ФАНО ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации
сельского хозяйства
Аннотация
Ветроэнергетика - это способ получения различных видов энергии, основанный на использовании энергии, возникающей при движении воздушных масс, т.е. на использовании энергии ветра. Для эффективной работы даже самых совершенных современных лопастных ветряков, вырабатывающих электричество, необходима скорость ветра более шести метров в секунду. Такой средней скоростью ветра Россия похвастаться может разве что на Дальнем Востоке и Сахалине, на остальной территории скорость ветра крайне редко достигает 4,5 м/с, что, конечно, не обеспечивает условий эксплуатации сегодняшних ветряков. Кроме того, ветроэнергетика в России не получила широкого использования ещё и потому, что разработчиками ветроэнергетических установок с самого начала был выбран бесперспективный путь создания активных лопастных ветро-преобразователей воздушного потока, основанных на аэродинамике летательных аппаратов.
Ключевые слова: ветер, ветроэнергетика, аэродинамика, ветроустановка, коэффициент использования энергии ветра, сопло Лаваля, реактивная турбина, ветротурбина, вихрь, вихревой преобразователь потоков сплошной среды.
UDC 621.548
PROBLEMS AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT OF WIND ENERGY
R.A. Serebryakov, S.S. Dorje, E.G. Bazarov
FANO FSBSI All-russian research institute for electrification of agriculture
Summary
Wind energy is a method of producing various types of energy based on the use of energy generated by the movement of air masses, i.e. the use of wind energy. Wind energy has been used by mankind for a long time For the effective operation of even the most committed modern-bladed wind turbines generating electricity, the necessary wind speed over six meters per second. This average wind speed Russia can boast except in the far East and Sakhalin, in the rest area the wind speed rarely reaches 4.5 m/s, which, of course, does not provide the operating conditions of today's wind turbines. In addition, wind power in Russia has not received widespread use because the developers of wind turbines from the beginning was chosen hopeless way of creating active wind vane transducers the air flow based on the aerodynamics of aircraft.
Keywords: wind, wind energy, aerodynamics, wind turbine, utilization of wind energy, the Laval nozzle, jet turbine, wind turbine, vortex, vortex flow transducer of a continuous medium.
Ветровой энергетический потенциал России в несколько раз превышает сегодняшние потребности страны в электроэнергии, однако распределен он крайне неравномерно. Как это
© Серебряков Р.А., Доржиев С.С., Базарова Е.Г., 2016 г.
видно на карте (рисунок 1), высокой интенсивностью ветрового режима (рис.1) отличаются только прибрежные зоны северной части страны, Каспийское побережье и северная часть Сахалина. Здесь среднегодовые скорости ветра превышают 7 м/с, на остальной территории скорость ветра крайне редко достигает 4,5 м/с.
Современные лопастные ветро-электро-генераторы с коэффициентом использования установленной
мощности (Киум)1 выше 30%, вырабатывающие электричество, работают при среднегодовой скорости ветра более 7 м/с.
При скоростях ветра от 3,5 - 7 м/с конструкции традиционных ВЭУ неприменимы и неэффективны, так как Киум составляет менее 10 %. Повышение эффективности
использования ветра при
среднепериодических скоростях от 3,5
Владивосток
Рис. 1. Карта ветроэнергетических ресурсов
России. Цифрами обозначены зоны со среднегодовыми скоростями ветра: 1 - выше 7 м/сек;
2 - от 3,5до 6 м/сек; 3 - до 3,5 м/сек. до 7 м/ сек возможно следующими путями:
- концентрация низкопотенциальных ветровых потоков;
- ускорение ветрового потока в плоскости ветроколеса
Рис. 2 Концентраторы ветрового потока
1. Преобразователи низкопотенциальных ветровых потоков
1.1. Концентраторы ветрового потока
Для концентрации ветрового потока могут быть использованы конфузорные или диффузорные устройства, устанавливаемые в непосредственной близости от рабочего колеса энергоустановки (рисунок 2). Однако в промышленных масштабах данные
устройства не производят по ряду причин:
• Габариты установки. Увеличение размеров ветроколеса с конфузорными устройствами ведет к увеличению прочности систем и башен, что ведет к неоправданному удорожанию.
• Низкая выработка энергии. Увеличение входного отверстия
конфузора повышает выработку (эффективность) ветрогенератора почти в 2 раза только на расчетной скорости, на скоростях ветра ниже расчетных выработка энергии составит 7-10%. Возможно получить прирост энергии другим способом - увеличить, ометаемую ветроколесом, площадь в два раза. В этом случае размер лопастей надо увеличить в 1,4 раза (как раз до размеров входного отверстия конфузора). Поэтому применение конфузоров или увеличение размеров лопастей неэффективно и неоправданно удорожает ВЭУ. Попытаемся разобрать, почему обычный конфузор оказался таким неэффективным концентратором. В случае ламинарного потока, направленного прямо по оси конфузора, происходит разделение потока на две части. Центральная часть потока, которая практически не встречает сопротивления, пролетает через конфузор, слегка ускоряясь. А остальная часть потока начинает завихряться, оставаясь со стороны входного отверстия конфузора, так как встречает большое сопротивление. Работа над формой конфузора позволяет прибавить к выходной скорости лишь незначительную величину - несколько процентов, но проблему не решает.
1.2. Вихревой преобразователь ветрового потока
Использование ветроустановок на базе «Вихревых преобразователей потоков
сплошной среды», способных использовать низкопотенциальные воздушные потоки (малые ветра), утилизированные тепловые потоки, сбрасываемые во внешнюю среду промышленными предприятиями и возможности преобразования гелио и гелиотермальной энергии в виде термоиндуцированных восходящих струй воздуха, позволит вырабатывать электроэнергию на воздушных потоках, движущихся со скоростью от 3-4 м/с [22 - 32]. Конструкция Вихряка (Рис.3.) содержит: входное и вытяжное устройство, генератор вихря (Рис.4.), направляющие аппараты (рис.5), ротор и дефлектор (Рис.6.). Установка автоматически подстраивается под реальную скорость ветра и обеспечивает преобразование энергии ветра с высокой эффективностью и широком диапазоне ветров.
Особенности Вихряка относительно традиционных ветряков:
- в 1,5-2 раза меньше рабочая скорость ветра и массо-габаритные параметры;
- «ротор-генератор» исключает вал, нет системы «установа на ветер»;
- конструкция предполагает её модульное исполнение из идентичных функциональных модулей ;
- стабилизация числа оборотов ротора обеспечивается изменением входной площади воздухозаборника;
- коэффициент использования энергии ветра ^~0,3; быстроходность Z~1,5-2,0;
Создание ветроустановки на базе вихревых преобразователей потоков сплошной
среды основано на возможности формирования закрученных потоков, образованных кривыми второго порядка в вертикальной плоскости и по спирали Архимеда в горизонтальной плоскости, подобных по своим свойствам природному смерчу, обладающему значительным запасом кинетической энергии. На Рис.7. и в Таблице 1 представлены результаты компьютерных расчетов полей параметров аэродинамической
структуры потоков рабочего тела исследуемой ветроэнергетической установки в вихревой и периферийной зонах Вихревого преобразователя.
Таблица 1
Массовый расход воздуха, кг/с Полное давление, Па Скорость, м/с
На входе воздуха 0.0051833163 101325 0.27886328
На входе эжектора 0.02398211 101773.14 0.2
На выходе из установки 0.029139828 101582.27 18.855532
Рис. 7. Поля скоростей потоков рабочего тела при скорости потока на входе в статорную
часть установки 0,2 м/с.
2. Ускорители ветрового потока в плоскости ветроколеса
Ускорение ветрового потока в плоскости ветроприемного устройства (ВПУ) может быть пассивным или активным.
Пассивный и активный ускорители низкопотенциального ветрового потока предназначены для работы в условиях при Уср.пер. от 3,5 до 7 м/с. с выработкой Киум до 50%. В настоящий момент ВЭУ с пассивными и активными ускорителями находятся в стадии доработки с линейкой мощностей 0.5; 1; 2; 3; 5 кВт.
2.1. Пассивные ускорители ветрового потока
Пассивный ускоритель ветрового потока обеспечивает увеличение скорости воздушного потока, поступающего на ветроколесо, за счет разрежения воздуха за ветроколесом (разность давления впереди и за ветроприемным устройством).
На рисунке 8 (а, б) представлены компьютерная и физическая модели ветроприемного устройства (ВПУ), работающего прискоростях ветра от 5 до 14 м/с при стабильной выходной установленной мощности.
Рис. 8 Ветроустановка с пассивным ускорителем ветрового потока а) компьютерная модель; б) физическая модель
Ветроприемное устройство [5] содержит ветроколесо и аэродинамический ускоритель потока, выполненный в виде трубки Вентури и расположенный в центре ВПУ. При этом ветроколесо свободно вращается на подшипнике, посаженного на трубку Вентури, являющейся осью ветроколеса. Быстрый воздушный поток (эжектирующий поток), проходящий в трубке Вентури, увлекает за собой медленный наружный воздушный поток (эжектируемый поток), создавая за ветроколесом некоторое разрежение, что, в свою очередь, создает разрежение за ветроколесом и способствует увеличению скорости воздушного потока проходящего через ветроколесо.
2.2. Активные ускорители ветрового потока
Активный ускоритель ветрового потока обеспечивает увеличение скорости ветрового потока, поступающего на ветроколесо, за счет разрежения воздуха за ветроколесом, которое создается принудительной инжекцией наружного воздушного потока, и размещения вихревого концентратора внутри сопла, что позволяет увеличить коэффициент использования ветровой энергии ветроустановки, а также уменьшить размеры и упростить конструкцию ветроустановки [6, 7].
На Рисунке 9 представлены ветроустановки с ускорителями ветрового потока, где: 1 -ветроприемное устройство; 2 - сопло (активный кольцевой концентратор-ускоритель воздушного потока); 3 - завихритель воздушного потока, который с минимальными потерями формирует, закручивает и увеличивает скорость движения воздушного потока; 4 -вихревой эжектор воздушного потока, предназначенный для формирования, с минимальными энергетическими потерями, набегающего ветрового потока в закрученный поток и подачи его в полость кольцевого концентратора -ускорителя 2, откуда через кольцевую узкую щель 5 этот воздушный поток подается внутрь сопла (для варианта установки в качестве эжектора воздушного потока используется вентилятор или пневмокомпрессор.
В такой установке:
- за счет выполнения ветроприемного виде системы
снижается лобовое сопротивление «ометаемая площадь воздушного потока» и, соответственно, мощность, снимаемая с этого воздушного потока, значительно увеличивается,
- обеспечивается эффективная работа устройства на низкопотенциальных и термоиндуцированных восходящих потоках сплошной среды,
- за счет выполнения концентратора-ускорителя в виде полого кольца, внутрь которого от вихревого эжектора поступает
поток воздуха и через узкую кольцевую щель инжектируется внутрь кольца, тем самым, увеличивая скорость воздушного потока, проходящего через ветроколесо установки,
- за счет того, что в конструкции завихрителя сформированы проточные каналы закрутки струй потоков сплошной среды, значительно увеличивается скорость этого потока. Возможный результат повышения КИЭВ в такой установке до « 1,4.
устройства в
воздухозаборников аэродинамическое конструкции, а
Рисунок 9 Ветроустановки с ускорителями ветрового потока
3. Проблемы ветроэнергетики
Основоположник аэродинамики летательных аппаратов Н.Е.Жуковский создавая теорию винта, гребного винта и теорию идеального тянущего пропеллера считал, что винт предназначен для создания силы тяги за счет мощности вращающего его двигателя. Обобщенная теория ветряка («Теория идеального ветряка») была опубликована Г.Х.Сабининым (учеником Н.Е.Жуковского), ещё в 1927 году [9], она и до сих пор является базовой в теории активных лопастных ветроустановок.
Суть этой теории в следующем. Когда поток воздуха набегает на лопасти ветряка (Рис.10.), то скорость потока уменьшается. В плоскости ветряка она равна Ув - у1, а далеко за ветряком Ув - у2. Потеря скорости воздуха и отдаваемая ветроколесу энергия складывается из двух составляющих: - потери скорости до ветроколеса у1 и потери скорости после ветроколеса у2. До ветроколеса поток теряет треть своей скорости и 5/9 своей энергии, которую передает колесу. После колеса поток теряет ещё треть скорости и 3/9 первоначальной энергии. Работа, производимая ветром, равна разности кинетических энергий набегающего и отходящего воздуха, а замедленное прохождение воздуха через плоскость ветряка, преодолевающего сопротивление лопастей, вызвано работой, совершаемой ветром и это замедление скорости ветра за ветроколесом в два раза больше замедления скорости в плоскости колеса. Отсюда, максимальный коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) достигается при у1=1/3 Ув и у2 = 2у1, и составляет
0,593.
Проблемы базовой теории идеального ветряка:
- она не учитывает влияние некоторых факторов: - влияние потока воздуха не прошедшего сквозь ветряк, - подсоса воздуха в разряжение, создающееся за ветроколесом, -вращение отходящего воздуха,
- не учитываются потери на трение, индуктивные потери, влияние взаимодействия внешнего быстрого потока воздуха с внутренним медленным потоком.
Кроме того, теория идеального ветряка требует совершенно определенных значений осевой и вращающей силы, действующих на лопасти - только при этом условии может быть получен максимум мощности [1].
Ветровая энергия является экологически чистым, бесплатным и неиссякаемым источником получения электричества, поэтому мы, в любом случае, должны научиться максимально использовать эту энергию - и не на 59,3%, как сейчас, а на 90% и более.
4. Перспективы развития ветроэнергетики
На сегодняшний день ветроэнергетика на большей части России малоэффективна и нерентабельна. Необходимо искать новые пути к использованию энергии малых ветров и восходящих термоиндуцированных потоков. Гидроэнергетика - один из путей и один из примеров использования энергии низкопотенциальных потоков сплошной среды, где Киум достигает 0,9: - на медленной реке строится плотина, концентрируется энергия потоков и затем, например, с помощью реактивной предельнонапорной турбины, энергия этого потока преобразуется в электроэнергию. Так и с ветром - необходимы технологии, позволяющие накапливать его энергию, формировать в устойчивые концентрированные струи (потоки) и с максимальным эффектом преобразовывать в электроэнергию, т.е. создавать условия для резкого повышения коэффициента использования установленной мощностси ветрогенератора.
2. Выводы
Следуя требованиям законов аэродинамики к конструкции ветродвигателя, делаем
Рис.10.
вывод:
- лопастные ветроэнергетические установки, получившие свое развитие в далеком прошлом, с точки зрения теории эффективности, практически исчерпали пределы своего развития и дальнейшая их модернизация повлечет за собой лишь бесполезную трату материальных и финансовых ресурсов, т.е. ветроэнергетика, на основе лопастных ветротурбин перспективна только в ограниченных районах с большими среднегодовыми скоростями ветра;
- ветроэнергетика на основе реактивных предельнонапорных ветротурбин сейчас находится только в начале своего развития, но какие-то технические решения предлагаются уже сейчас (Алатин Павел Дмитриевич - Н.Новгород, Савельев Владимир Николаевич -Москва и др.). Т.е., с точки зрения эффективности, в ближайшем будущем надо ждать принципиально новых решений в развитии ветроэнергетики;
- крайне перспективным в этом свете видится использование вихревых эффектов в конструкции ветряков, что позволит не только начинать вырабатывать энергию на ветрах со скоростью 3,0-4,0 м/с, но и даст возможность работы от восходящих тепловых потоков, а также избавит окружающую среду от низкочастотных шумовых составляющих, присущих любой лопастной ветроустановке;
- ветрогенератор - это экологичное устройство, которое не создает опасных излучений и каких-либо помех для электроприборов. Использование кинетической энергии ветра позволит снизить или полностью исключить расходы на топливо, возведение линий электропередач, плановый ремонт оборудования. Ветроэнергетика позволяет не зависеть от тарифов и платежей за подключение к сети. Срок службы ветроэлектростанций колеблется от 20 до 25 лет без существенных затрат на эксплуатацию. Энергия ветра неиссякаема.
¡Коэффициент использования установленной мощности (Киум) есть отношение фактически выработанной электроэнергии в течение периода, к энергии в предположении, что установка
работает на полную мощность с идеальной нагрузкой в течение периода. Другими словами это отношение действительной выработки электроэнергии к теоретически возможной. Что касается ветростанций, то их Киум в Европе в среднем составляет 0,2-0,3. Но зависит он в основном от ветровых условий. Есть примеры ВЭС, где он равняется 0,4 и выше.
Литература
1. Розин М.Н., сайт «Малая энергетика», 2005.
2. Савельев В.Н., Альтернативная энергетика, сайт wings777.ru, OO"WINGS", 2008-2014.
3. Приближенное решение задачи о концентраторах ветрового потока http://www.rosinmn.ru/vetro/ konzentrator/konzentrator5 .htm
4. Фатеев Е.М., Ветродвигатели, ГЭИ, Ленинград, 1946, стр. 23.
5. Доржиев С.С., Базарова Е.Г., Горинов К.А., Патент на полезную модель РФ № 143120, Ветроустановка с пассивным ускорителем ветрового потока, 2014.
6. Доржиев С.С., Базарова Е.Г., Серебряков Р.А., Патент на полезную модель РФ № 158390, Ветроустановка с вихревым ускорителем воздушного потока, 2015.
7. Серебряков Р.А., Доржиев С.С., Базарова Е.Г., заявка на Патент РФ № 2016110067/20, Ветроустановка с вихревыми аэродинамическими преобразователями воздушного потока, 2016.
8. Жуковский Н.Е., Ветряная мельница типа НЕЖ, труды ЦАГИ, вып.1, 1919.
9. Сабинин Г.Х., Теория идеального ветряка, труды ЦАГИ, вып. 32, 1937
10. Алатин П.Д., Научное обоснование необходимости скорейшего развития реактивной ветроэнергетики, Авторское право, Нижний Новгород, 2010.
11. Алатин П.Д., Дигоран И.П., Патент РФ № 2297549, Способ максимального извлечения кинетической энергии из турбулизованного воздушного потока и преобразования её в электрическую энергии и устройство для его осуществления, 2006.
12. Electric Power Annual 2009, Table 5.2.
13. Серебряков Р.А., Ветроустановка с вихревым преобразователем потоков сплошной среды, ж. Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук, № 03(86), 2016, с. 43-55.
14. Бирюк В.В., Серебряков Р.А., Вихревая ветроэнергетическая установка, труды 7-й Международной н/т конференции «Энергосбережение и энергообеспечение в сельском хозяйстве, часть 4, М. ГНУ ВИЭСХ, 2010, с.248-252.
15. Бирюк В.В., Серебряков Р.А., Цыбизов Ю.И., Шелудько Л.П., Газо-ветроэнергетическая установка, ж. Альтернативный киловатт, 2011, №5, с. 48-51.
16. Бирюк В.В., Серебряков Р.А., Зазимко В.Н., Вихревая ветро-солнечная энерге-тическая установка, ж. Альтернативная энергетика и экология, №7, 2013 г., с. 23-26.
17. Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Vortex effect - vortex energy technologies, Research in Agricultural Electric Engineering, volume 4, 2013, №4, page 74-78.
18. Серебряков Р. А., Волов В.Т., Исследование СВТ с вращающимся диффузором, депонировано в ВИНИТИ (УДК 621.43.46), №5713, 1984, 9
19. Серебряков Р.А., Волов В.Т., Анализ возможности использования СВТ с вращающимся диффузором, Межвуз. сборник КУАИ «Аэродинамика ЛА и их систем», 1987, с.134-138.
20. Серебряков Р.А., Юденков Н.А., Результаты экспериментальных исследований модели вихре-смерчевой установки в аэродинамической трубе малых скоростей, ЦАГИ, НИЦ «Аэродинамика», н/т отчет № 1, 1991.
21. Серебряков Р.А., Юденков Н.А., Результаты экспериментальных исследований модели вихревого ветроэнергетического преобразователя, н/т отчет №2, НИЦ «Аэродинамика», 1992.
22. Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Вихревая ветроэнергетическая установка, сб. «Ракетно-техническая техника», сер. XII, Самара, 2000, с. 43-73.
23. Серебряков Р.А., Калениченко А.Б., Вихревая ветроэнергетика, ж. Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века, №11, 2001, с. 28-29
24. Серебряков Р.А., Калениченко А.Б., Савченко А.М., Родионов Ю.Н., Энергия вихря и энергия вакуума - от теории к практике, ж. Энергетика и промышленность России, 2003, № 6, с. 10-12.
25. Серебряков Р.А.. Автономная ветроэнергетика, ж. Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века, №7, 2004, с. 53-55.
26. Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Пиралишвили Ш.А., Вихревая энергетика в энергосберегающих технологиях, сб. докл. XIX школы-семинара «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях, г. Орехово-Зуево, М. Издат. Дом МЭИ, 2013, с. 15-16.
27. Бирюк В.В., Серебряков Р.А., Толстоногов А.П., Методика расчета вихревых установок, НТО СГАУЦ, Самара, 1992, 96 с.
28. Краснов Ю.К., Кикнадзе Г.И., Эволюция смерчеобразных течений вязкой жидкости, ДАН СССР, 1986, т.290, №6, с.1315.
29. Краснов Ю.К., Кикнадзе Г.И., Серебряков Р.А., Патент РФ №1779283, Способ формирования потоков сплошных сред, 1990.
30. Серебряков Р.А., Борисов Э.В., Патент РФ № 2002981, Способ формирования закрученных потоков, 1992.
31. Серебряков Р.А., Пат. РФ №2093702, Вихревая ветроэнергетическая установка, 1996.
32. Серебряков Р.А., Родионов Ю.Н., Патент РФ №2101550, Способ формирования низкопотенциальных закрученных потоков и устройство для его реализации, 1997.
33. Серебряков Р.А., Патент РФ №2073111, Вихревая ветроустановка, 1998.
34. Бирюк В.В., Красноруцкий И.А., Вихревая газоветроустановка для электроснабжения компрессорных станций, Вестник Самарского аэрокосмического университета им. С.П. Королева, 2011, №5(29), с. 29-35.
35. Бирюк В.В., Красноруцкий И.А., Методика расчета и анализа аэродинамических показателей газового потока в вихревой ветроэнергетической установке, Вестник СГАКУ им. С.П. Королева, 2013, №3(41), часть 1, с. 40-47.
