CC BY
7В ENERGY
BULLETIN № 19, 2015
ускоритель потоков для выработки энергии с помощью ветра, воды и солнца
Анатолий Волков,
директор «НПФ «Рутений», г. Екатеринбург, Россия
Анатолий Волков окончил Московский Государственный Открытый Университет, в 1994 г. защитил диссертацию на тему: «Разработка технологии, оснастки и оборудования импульсной объёмной штамповки». За разработку технологии по изготовлению автомобильных клапанов в 1997 году получил золотую медаль ВВЦ, в 2003 году - серебряную медаль Международной выставки «Архимед». С 1998 г. по 2005 г. работал старшим научным сотрудником Института Физики Металлов УрО РАН г. Екатеринбурга. С 2005 г. разрабатывает энергетические проекты на использование альтернативных источников энергии и пытается претворить их в жизнь при помощи инвесторов, создаёт оборудование для ветро- и гидроэнергетики, имеет более пятидесяти патентов на изобретения. На данный момент времени является директором «Научно-производственной фирмы «Рутений». По совместительству работает Советником директора по науке и технологии «Корпорации «ВСМПО-АВИСМА».
«Научно-производственная фирма «Рутений» образована в 2007 г., основное направление деятельности - изобретение и проектирование нового оборудования для металлургии, энергетики и машиностроения. Производственная база расположена на площадях ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». «НПФ «Рутений» сотрудничает с ОАО «УралНИТИ» (г. Екатеринбург), «Опти-ко-механичеким заводом» (г. Екатеринбург), ООО «КВ-Титан» (г. Москва), Linn High Therm GmbH Eschenfelden (Германия).
Создатели ветроэнергетических установок по традиции, возникшей еще со времен ветряных мельниц, делают ветроколёса большого диаметра для производства максимального количества электроэнергии.[1] На Западе строят установки с ветряными колесами диаметром более 100 м.
Как показывает практика, крупные ветроэнергетические сооружения себя окупают, но вложения в их создание настолько велики, что по силам лишь государству или крупным корпорациям.
Вырабатываемую мощность можно увеличить не только за счёт увеличения диаметра турбины. [2] Мощность Р, которую может выработать генератор в Вт с определенной площади В перекрываемой турбиной за счет потока ветра или воды, равна:
Р = И • т • У3/2,
где
Р - вырабатываемая мощность Вт; И - площадь сечения потока, проходящего через турбину, м2;
т - масса вещества потока проходящего за одну секунду через турбину, кг; V - скорость потока вещества, проходящего через турбину, м/с.
Формула показывает, что для выработки большего количества электроэнергии можно увели-
№ 19, 2015
в
ENERGY BULLETIN
Рис.2.
чить площадь турбины, можно увеличить массу потока и можно увеличить скорость потока.
В первых двух случаях с увеличением площади и массы вещества мощность будет нарастать пропорционально данному увеличению. При увеличении скорости прирост мощности будет иметь кубическую зависимость. Увеличение скорости потока в два раза приводит к увеличению выработки электроэнергии в восемь раз.[3] Для того, чтобы доказать на практике эффективность увеличения скорости был предложен способ создания ускорителей потока.
Для увеличения скорости ветра было предложено увеличить площадь захвата ветрового потока с целью его концентрации на ветротурбине. Турбина была установлена в узкой части сопла, в месте перехода конфузора в диффузор.[4] Сопло -это устройство, созданное, чтобы ускорять поток с минимальными потерями на трение.
Созданная новая электростанция позволила определить на практике эффективность применения ускорителя ветрового потока.[5] Первые испытания, проведенные в мае 2007 года в г. Нижняя Салда, Свердловской области России, показали, что ветротурбина может работать на максимальных оборотах при скорости ветра 2,5+3,5 м/сек (Рис. 1)[6]. При такой скорости обычные ветростанции не работают.
На Рис. 2 показано, что ветротурбина, извлеченная из ускорителя потока на данном ветре не работает.
Как показала практика, для изготовления ускорителя в виде сопла не требуется больших затрат, так как ускоритель потока может быть создан из ткани. Чуть позже в г.Нижняя Салда была испытана турбина, которая содержала два ветро-колеса, расположенных в узкой части ускорителя потока (Рис. 3).
В отличии от классических ветростанций ускоритель потока позволил устранить необходимость сооружения высоких башен, которые приходится строить с целью улавливания более скоростного потока ветра.
Испытания ветроэлектростанции с ускорителем потока были проведены в летнее время. Год спустя в г. Ревда, Свердловской обл. были проведены дополнительные испытания ветроэлектро-станции с ускорителем потока.
Проведенные испытания для выработки большого количества энергии позволили предложить
в
ENERGY BULLETIN
№ 19, 2015
Рис. 3.
.-Й-
')///////////////////////
____________
■vS//////////////////////
-П-
Отражающая ткань Солнечные батареи
Ветротурбины Рис.4.
новую конструкцию, которую возможно разместить на возвышенности в виде горы или холма.[7] Поток ветра, огибающий возвышенность ускоряется примерно в два раза.
Ускоритель способен отражать от внутренней поверхности солнечные лучи и направлять их на
фотоэлектрические элементы, составляющие солнечную батарею (Рис. 4).
Расчет эффективности предлагаемой электростанции возможно провести сравнивая её с обычной мачтовой ветростанцией. Например, обычная ветростанция перекрывает ветровой поток, площадью 1000 м2, при ветре 10 м/с это позволяет вырабатывать 200 КВт. Ветро- солнечная станция, захватывающая поток с площади 100 м2, при ветре 10 м/с может вырабатывать 2 МВт.
Расчет проведен с использованием формулы Р = 0,2 • V3 • которая показывает выработку мощности в Вт современных генераторов с площади Ит м2 - перекрываемой турбиной. Ветер 10 м/с над вершиной холма ускоряется, примерно в два раза, то есть до 20 м/с. С учетом трения 50% и учетом ускорения 1:10, на турбину ветер будет поступать со скоростью 100 м/с.
Р = 0,2 • 1003 = 200000Вт.
Площадь турбин занимает 10 м2, следовательно выработка мощности составит 2 МВт.
Пример показывает, что ветростанция с ускорителем потока, размещённая на холме, при захвате ветра равной площади сможет в 100 раз вырабатывать большие электроэнергии, чем обычная ветростанция. В безветрие ветро-сол-нечная станция сможет следовать за солнцем и отражать ускорителем потока солнечные лучи на фотоэлектрические элементы, установленные под ускорителем, что повышает эффективность использования конструкции.
На Рис. 5 для сравнения схематически показана обычная ветростанция и «Башкирская» ветро-солнечная станция.
Ветро-солнечную электростанцию возможно размещать не только на возвышенности, но и
В ENERGY BULLETIN
Располагается на холмах, использует энергию ветра и солнца. Ветер, отраженный от холма, ускоряется над его вершиной примерно в два раза. В безветрие следует по солнцу.
P = 0,2 • V3 Вт • м2
Плоскость ветроэлектростанции с ускорителем потока снабжена солнечными батареями. Ускоритель отражает фотоны на солнечные батареи
S = 100 м2
Мачтовая ветроэлектростанция Б = 1000 м2 V = 10 м/с р = 200 КВт
Б2 - площадь отражающая ветер г - потери на трение 50% Р. = 0,2 • 1003 • 10 = 2 МВт
Рис. 5.
VB = 10 м/с • 2 = 20 м/с (S2)
ST = 10 м2; VT = 100 м/с;
на ровной поверхности, включая водную поверхность.
[8] Развивая тему использования ускорителя потока для практического применения, была предложена конструкция ветро-солнечно-вол-новой станции, которая позволяет использовать энергию ветра, солнца и энергию горизонтальных волн (Рис. 6).
Данная конструкция очень эффективна, например при перекрытии ветрового потока площадью 100 м2, гидропотока 20 м2 и при отражении солнечных лучей на фотоэлементы, площадью 100 м2, электростанция может достичь мощности до 3 МВт. Плавающая ветро-солнечно-волновая электростанция, закрепленная на грунте, автоматически поворачивается под ветровой и волновой поток.
[9] Другим применением для практического использования ускорителя потока могут быть электростанции, где основную функцию по ускорению потока играют готовые здания и сооружения. Эти сооружения, являясь препятствием для движения ветра, ускоряют поток воздуха на узких участках угловых стыков.
[10] Для практического использования ускорителя потока предлагается конструкция секционной линейной электростанции, которая размещается на угловых стыках плоскостей архитектурных сооружений.
Рассмотрим вариант применения этого изобретения с участием загородного дома с высотой стен, равной 10 м. Ширина ускоренного ветрового потока, огибающего углы стен здания и крыши, не более 250 мм, поэтому потребуются секционные ветротурбины, имеющие ширину секции, примерно 200 мм. Секция выполнена в виде квадратного корпуса с габаритами 200x200x100 мм, где диаметр турбины будет примерно равен 120 мм. Следовательно, на доме будет установлено 740 секций ветротурбин. Допустим, в загородный дом ударяется ветер, при скорости 3 м/сек и, огибая его с разных сторон, ускоряется на углах, примерно в два раза, что составит 6 м/сек. Секционные линейные ветротурбины, установленные с конфузорно-диффузорной системой, имеют коэффициент сужения 4:1. Следовательно, ветровой поток, поступающий на турбину, достигает скорости 24 м/сек.
Рис. 6.
м
ш ш ш ш ш
©
©
©
©
©
©
©
©
©
©
©
©
//////////////////////////////л^
Рис. 7. линейный ускоритель с архитектурными сооружениями.
В ENERGY BULLETIN
Рис. 8.
Принимаем, что с учётом трения скорость потока, попадающего на ветроколесо, составит 20 м/ сек. При площади одного ветроколеса, равного 1 дм2, ветротурбина будет вырабатывать мощность, равную 16 Вт. Вдоль всего периметра общая площадь, работающих ветротурбин, будет достигать 370 дм2 или 3,7 м2, соответственно со всех секционных ветротурбин будет вырабатываться электроэнергия мощностью 5,9 КВт. В связи с тем, что рост мощности на генераторе имеет кубическую зависимость, данная ветростанция может вырабатывать энергии, при скорости ветра 9 м/ сек, в 27 раз больше, то есть при этом ветре вырабатываемая мощность может составить 160 КВт. Это достаточно большая мощность, чтобы обеспечить не только энергетические нужды одного дома, но и сразу нескольких домов.
На Рис. 7, на виде сверху изображено здание, по углам которого размещены секционные линейные ветротурбины. Помимо ускорения ветрового потока плоскостями здания можно производить сбор фотонов путём их отражения (Рис. 8).
Данную способность возможно продемонстрировать следующим образом. Вокруг здания, согласно сторонам света перемещается солнце,
лучи которого (потоки фотонов) попадают на плоскость здания и могут при отражении концентрироваться в том или ином месте пространства. Если плоскости, улавливающие ветер линейной секционной турбины будут на пути концентрации потоков солнечных лучей и если эти плоскости изготовить из солнечных элементов, то эффективность использования линейной турбины значительно возрастает.
Линейная секционная турбина, которая будет работать сразу на двух источниках энергии - ветре и солнце, будет наиболее эффективной. Дополнительный эффект будет создан за счёт единой системы преобразования энергии, разводки и передачи её потребителю. Ветро-солнечная электростанция, которая находится непосредственно на здании, будет иметь наименьшие расходы на электропроводку, потери на транспортировании и расходы на разрешительные документы.
Развитие идеи ускорения потока было проведено не только для ветра, но и для воды. Весной 2008 года гидроэлектростанция с ускорителем потока была испытана на реке Криуша г. Н.Салда. На Рис. 9 показаны испытания гидростанции с ускорителем потока в апреле 2008 года.
Рис. 9. гидростанция с ускорителем потока в апреле 2008 года.
[111Проведённые испытания позволили разработать и предложить к использованию гидростанцию с ускорителем потока, работающую на морских течениях. С каждого квадратного метра современная турбина при ускорении водяного потока до 20 м/сек будет вырабатывать 1208 КВт или 1,2 МВт. Теоретически можно предположить, что современная техника позволяет перекрыть ускорителем потока площадь 1 км2, при этом мощность, которая может вырабатываться гидростанцией, будет равна 1,2 ТВт.
Особый интерес для практического применения ускоритель потока может представлять для использования на реках, например для практического использования предлагается гидростанция с ускорителем потока, работающая на речных течениях.
Как известно, гидростанция с перепадом воды на плотине в десять метров, может развивать скорость воды 14 м/сек. Гидростанция с ускорителем
Рис. 10. Речная гидроэлектростанция с ускорителем потока.
потока, установленная на Неве, данного эффекта может достигать при ускорении 1:7 (Рис. 10).
[121Не меньший эффект ускоритель потока может произвести при строительстве волновых электростанций. Для практического использования ускорителя потока предлагается конструкция волновой гидростанции, которая может работать на вертикальных волнах. Например, при захвате волны ускорителем потока диаметром 12 м, станция, ускоряя поток волны до скорости 4,7 м/сек, может вырабатывать в среднем 2 МВт. На одну тонну конструкции электростанция может вырабатывать от 100 до 1000 КВт. Это возможно достичь за счёт высокого КПД, так как ускоренный поток воды действует непосредственно на винт турбины, который вращает ротор генератора.
В морях с меньшей амплитудой волны для практического использования предлагается волновая гидростанция с ускорителями потока, работающая на вертикальных волнах малой амплитуды. Волновая станция площадью 18x18 м, созданная из мини ускорителей с турбинами, сможет в среднем вырабатывать 3 МВт электроэнергии (Рис. 11).
На сегодня в мире используются конструкции волновых электростанций, где движение волны для раскрутки ротора генератора преобразуется за счёт значительного количества механизмов. Это снижает КПД использования конструкции и выработку электроэнергии.
[131При использовании нового устройства, ускоряющего поток вертикальной волны, требуется генератор с переменным моментом инерции, способный работать при изменении направления потока. Технически это решаемая задача, поэтому в ближайшем будущем строительство волновых электростанций с ускорителем потока может стать массовым.
В заключении можно отметить, что перспектива использования ускорителя потока для выра-
В ENERGY BULLETIN
Расчет эффективности.
В Каспийском море средняя высота волны - 1,75 м. Период - 4 сек.
Средняя скорость по вертикали - 0,9 м/с
Площадь Р захвата 1,8 м - 3,14 м2
Площадь Рт турбины 0 0,6 м - 0,3 м2
Ускорение 1:10. Скорость воды на турбине - 9 м/с.
р = 151 • V3 • Fт;
Р = 151 • 93 • 0,3 = 33 КВт.
Секций 18 х 18 м = 100 шт.
© ® 0 © 0 0 ©
® 0 © ® 0 ® Ф
© <s> 0 © © 0 ©
® 0 © Ф 0 © Ф
© ® 0 © © 0 ©
® © © 0 0 © Ф
© ® 0 © ® 0 ©
Рис.11. волновая гидростанция с ускорителем потока.
P . = 3300 КВт = 3,3 МВт.
об '
ботки электроэнергии не ограничена каким-то одним направлением и может применяться во всех
областях возобновляемой энергетики.
Список использованной литературы
1. Солоницын А. - Второе пришествие ветроэнергетики. Статья, - Журнал «Наука и жизнь» №3, 2004г.
2. Под ред. Д. де Рензо. Перевод с англ. к.т.н. Зубарева В.В., Франкфурта М.О. - Ветроэнергетика. Раздел - Характеристики ветра, - М.: Из-во
"Энергоатомиздат", 1982г.
3. Волков А.Е. - Патент РФ №2338089, - Способ и устройство системы Волкова для производства энергии методом "Парусного" захвата, С2, Р03й 1/00, 05.01.2004г.
4. Гл.ред. А.М. Прохоров - Физический энциклопедический словарь, - М.: Научное издательство «Большая Российская Энциклопедия», 1995г., стр.700.
5. Волков А.Е. - Воздушная плотина. Статья, - Журнал «Наука и жизнь» №10, 2007г.
6. Волков А.Е. - Патент РФ №2348831, - Способ и устройство системы Волкова для производства энергии методом "Парашютного" захвата, С2, Р03й 11/00, 26.02.2007г.
7. Волков А.Е. - Патент РФ №2536648, - Способ и устройство системы Волкова для производства
энергии методом «Парусного захвата» воздушных потоков и солнечных лучей, 29.07.2009г.
8. Волков А.Е. - Заявка на патент РФ №2014123924, -Способ и устройство производства энергии методом захвата водных, воздушных и солнечных потоков, 10.06.2014г.
9. Волков А.Е. - Патент РФ №2459975, - Способ и устройство для производства энергии с использованием архитектурных сооружений, 27.02.2009г.
10. Волков А.Е. - Заявка на патент РФ №2014145194, -Способ и устройство производства энергии методом захвата потока ускоренного плоскостями сооружений и линейной секционной турбиной, 10.11.2014г.
11. Волков А.Е. - Патент РФ №2374483, - Способ и устройство системы Волкова для производства гидроэнергии методом «Парусного» захвата речных, приливных и океанских течений, а так же морских волн, 30.07.2007г.
12. Волков А.Е. - Заявка на патент РФ №2014141839, -Способ и устройство производства энергии методом захвата и ускорения вертикальных волн, 16.10.2014г.
13. Волков А.Е. - Заявка на патент РФ №2014132032, -Способ и устройство производства электроэнергии за счёт турбин и генераторов с переменным моментом инерции, 01.08.2014г.
