ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПАРУСНАЯ УСТАНОВКА - ПРИРОДНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ПАРУСНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

SAIL-DRIVEN WIND ENERGY

Статья поступила в редакцию 01.02.10. Ред. рег. № 708 The article has entered in publishing office 01.02.10. Ed. reg. No. 708

УДК 621.311.24

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПАРУСНАЯ УСТАНОВКА -ПРИРОДНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ

А.А. Михеев

300004 г. Тула, ул. Шухова, д. 14-а, кв. 7 Тел.: 8 (4872) 418443, 8 903-037-01-80, e-mail: kvarz@tula.net

Заключение совета рецензентов: 10.02.10 Заключение совета экспертов: 15.02.10 Принято к публикации: 18.02.10

Статья описывает конструкцию и работу парусной ветроэнергетической установки. Решается задача повышения КПД ВЭУ. Показана работа парусной ветроэнергетической установки при слабых ветрах. Парусная ВЭУ перспективна.

Ключевые слова: парусная ветроэнергетическая установка, скорость ветра, концентратор ветровых потоков, электроэнергия.

WIND POWER SAILING STATION - CONCENRATOR OF A WIND POWER

A.A. Mikheev

14а-7 Shukhova str., Tula, 300004, Russia Tel.: 8 (4872) 418443, 8 903-037-01-80, e-mail: kvarz@tula.net

Referred: 10.02.10 Expertise: 15.02.10 Accepted: 18.02.10

Article describes a design and work of wind power sailing station. The problem of increasing of WPS efficiency is solved. Work of sailing wind power station is shown at weak winds. Sailing WPS is perspective.

Александр Александрович Михеев

Сведения об авторе: частный изобретатель. Образование: неоконченное высшее.

Основной круг научных интересов: физика, ветроэнергетика. Публикации: 3.

Введение

В ветроэнергетике главное - ветер. При наличии постоянного сильного ветра любая ветроэнергетическая установка (ВЭУ) будет давать электроэнергию. Без ветра самые лучшие ВЭУ бесполезны. Для традиционных ВЭУ недостаточен ветер со скоростью даже 5-6 м/с.

Существует убеждение, что если нет ветра со скоростью более 10 м/с, то ветроэнергетика не может претендовать на альтернативу традиционным поставщикам электроэнергии. Но инновационные технические решения все же позволяют использо-

вать слабый ветер и эффективно генерировать электроэнергию без вреда для экологической обстановки. Примером является предлагаемая ветроэнергетическая парусная установка [1].

Метод решения задачи

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание ВЭУ, эффективно использующей большую площадь ветрового потока с высоким КПД. Поставленная задача решается применением новой конструкции ВЭУ.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Первой машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель, кроме одного источника энергии, объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю.С. Крючкова [2] показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Принцип работы

Принцип работы парусной ВЭУ (рис. 1) следующий: четырехугольный парус (как на парусном корабле) под давлением ветра движется горизонтально по направляющим длиной 10 и более метров. При этом энергия движения передается через трансмиссию на электрогенератор. Парус проходит вдоль всей установки по прямой линии и при этом принимает всю площадь ветрового потока с минимальными потерями (с аэродинамической точки зрения профиль паруса не переходит линию ветра), отнимая у ветра большую часть энергии. Парус доходит до края, складывается и идет в сложенном состоянии в обратном направлении по верхней узкой части между контурами на исходную позицию. В это время раскрывается другой парус и также проходит рабочий путь. Цикл повторяется бесконечно. Парусов как минимум три (можно ставить больше), поэтому ветровой поток используется без перерыва. Паруса находятся на равном расстоянии друг от друга.

Рис. 1. Парусная ВЭУ Fig. 1. Wind power sailing station

Кожух на парусной ВЭУ выполняет функцию гильзы, парус - функцию поршня, а ветер - функцию пара. Система аналогична большому паровому двигателю.

(Если на лопастной ВЭУ происходит одномоментное сталкивание ветра с лопастью, то на парусной ВЭУ контакт ветра и паруса является длительным по времени и расстоянию. Благодаря этому происходит максимальный отъем энергии у ветра.)

Контрольным показателем эффективности работы ветроэнергетической парусной установки является сравнение скорости входящего и выходящего воздушного потока. Скорость входящего воздушного потока 10 м/с, скорость выходящего воздушного потока 2-3 м/с. Отсюда коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) не менее 60%, что превосходит показатель КИЭВ лопастных ВЭУ более чем на 300%.

Парусная ВЭУ «глотает» ветер (12 м/с, 1000 Вт на кв. метр ветрового потока) и трансформирует его в электроэнергию. В остатке бриз со скоростью 3 м/с (50 Вт на кв. метр ветрового потока). КИЭВ 60% и более.

Парусная ВЭУ сама ориентируется по направлению ветра. Основание платформы установлено на оси с возможностью поворота установки вокруг оси на 360°, а противоположная сторона платформы поставлена на колеса или катки, движущиеся по замкнутому в круг монорельсу. Вертикальные стенки кожуха держат установку всегда вдоль направления ветра. В предлагаемой парусной ВЭУ легко устанавливается концентратор ветровых потоков, который из ветра со скоростью 5 м/с делает ветер со скоростью 15 м/с (рис. 2). На лопастные ВЭУ концентратор ветра установить невозможно.

Рис. 2. Природный концентратор ветрового потока Fig. 2. The natural concentrator of a wind

При установке парусной ВЭУ на транспортное средство в качестве привода двигателя получается ветроагрегат, водный или наземный. Ветроагрегат способен идти за счет ветра против ветра с той же скоростью, что и по ветру.

Парусные ВЭУ могут выполняться разборными и найдут спрос у тех, кто ведет мобильную жизнь: геологов, жителей севера, туристов.

Сегодня имеются разработки парусных ВЭУ со следующими техническими характеристиками:

- масса до 20 кг, мощность 1 кВт (при ветре 12 м/с, площади паруса 1,5 м2, рабочем ходе паруса 2 м);

- масса до 160 кг, мощность 5 кВт (при ветре 12 м/с, площади паруса 8 м2, рабочем ходе паруса 5 м);

- мощность 5 МВт (34 блока по 150 кВт каждый, при ветре 12 м/с, площади паруса в одном блоке 150 м2, длине блока 20-25 м).

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (81) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010

Ветроэнергетика. Парусная ветроэнергетика

Яхта,

оснащенная парусной ветроустановкой

На водном транспортном средстве крутящий момент с парусной ВЭУ передается с помощью трансмиссии прямо на гребной винт, если судно небольших размеров. Если длина морского судна больше 10 метров, то крутящий момент сначала идет на электрогенератор, затем электроэнергия по тоководам идет к двигателю, снова преобразуется в механическую энергию и передается гребным винтам. При изменении направления ветра или курса корабля парусная ВЭУ на самоориентирующейся платформе поворачивается парусом поперек ветра, что позволит кораблю идти против ветра с той же скоростью, что и по ветру.

Основные качества инновации:

1. Яхта с парусной ВЭУ может идти строго против ветра.

2. Самоориентируемая парусная установка, яхтой управляет один оператор.

3. Отсутствие крена парусного судна.

4. КПД парусного ветродвигателя 70%. Ветер входит в парусную установку со скоростью 10 м/с, выходит из парусной установки со скоростью 3 м/с.

5. Скорость яхты неизменная в любом направлении.

6. Работает парусная ВЭУ при скорости ветра до 20 м/с благодаря движущимся парусам. Движущиеся паруса, при сильных порывах ветра увеличивая-уменьшая скорость, создают амортизацию давления на парусную ткань, чего не могут дать паруса яхты с жестким креплением.

7. Электроэнергия от парусной ВЭУ вырабатывается всегда в избытке и идет на питание электротехники и зарядку аккумуляторов.

8. Цена производимого киловатт-часа будет значительно ниже, чем у лопастных ВЭУ.

9. Парусный ветродвигатель не создает вибраций и механически безопасен для человека и птиц.

В приведенной ниже таблице показано отличие современных лопастных и предлагаемой парусной ВЭУ.

Сравнение современных лопастных и парусной ВЭУ Comparison of modern lobate and wind power sailing station

Лопастная ветроустановка Парусная ветроустановка

Вырабатываются вредные для здоровья человека инфразвуки и радиопомехи, глушащие все радиочастоты. Гибнут птицы Не будут вырабатываться вредные инфразвуки и радиопомехи. Парусная ВЭУ безопасна для птиц

Проблемный ремонт. Чтобы поменять генератор или изменить угол атаки лопастей, нужен вертолет. Это отпугивает частного потенциального потребителя ВЭУ Ремонт и замена деталей производится на земле, что значительно проще и дешевле. Парусная ВЭУ самостоятельно ориентируется по направлению ветра, причем механически, без электроники и вмешательства человека

Площадь воспринимаемого ветрового потока (общая площадь лопастей) очень мала по сравнению с размерами всей лопастной ветроустановки. Поэтому количество производимой электроэнергии на единицу занимаемого пространства является небольшим Площадь воспринимаемого ветрового потока (общая площадь рабочих парусов) максимально велика по сравнению с размерами всей парусной ветроустановки. Поэтому количество производимой электроэнергии на единицу занимаемого пространства в десять раз больше, чем у лопастных ВЭУ

При прохождении ветрового потока через лопасти он замедляется и становится более турбулентным. Это напоминает кильватерную струю (завихрение). По этой причине лопастные ВЭУ обычно располагают на расстоянии, не меньшем, чем тройной диаметр ветроколеса. На направлении преобладающих ветров турбины надо располагать дальше друг от друга - на расстоянии, равном 5-9 диаметрам ротора. Потери энергии при более близком расположении ветротурбин называются «эффектом ветро-парка» Парусные ВЭУ поглощают ветровой поток полностью без остатка и не создают кильватерную струю. Парусные ВЭУ можно ставить впритирку друг к другу, как гаражи, и один ряд на другом (сотовая ВЭС, состоящая из нескольких этажей парусных ВЭУ). Сотовая парусная ВЭС почти всю принимаемую ветровую энергию трансформирует в электрическую. Входит в установку ветер 10-12 м/с, а выходит 3 м/с. Отсюда КПД до 70%. Экономия используемой площади по сравнению с лопастными ВЭУ в десятки раз. Можно прогнозировать, как это отразится на цене киловатта

При усилении ветра лопастные ВЭУ подвергаются турбулентности, что усиливает износ комплектующих. Поэтому для их создания используются дорогие авиационные материалы Никакой турбулентности с ее последствиями. Материалы те же, что и в автомобилестроении. Это тоже сказывается на цене киловатта электроэнергии

В лопастные ВЭУ из-за их высоты часто попадают молнии, после чего генератор и лопасти приходится либо капитально ремонтировать, либо менять. Что это означает для частного покупателя? Не страшны ни молнии, ни ураган. К тому же на парусную ВЭУ легко ставится молниеулови-тель. Замена деталей не сложней, чем в автомобиле

Работа лопастной ВЭУ зависит от скорости ветра, который может быть слабым и недостаточным для производства энергии К парусным ВЭУ присоединяются концентраторы ветровых потоков, которые из ветра 3 м/с концентрируют ветер 10 м/с. На лопастных ВЭУ это сделать нельзя

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Так же легко создается концентратор ветра из пластин или методом расчетного расположения зданий, учитывая розу ветров.

Заключение

Парусная ВЭУ превосходит лопастные ВЭУ по многим качествам. Если лопастная ВЭУ исчерпала возможности развития, то парусная ветроустановка представляет собой новый уровень ветроэнергетической техники, который еще предстоит изучать и развивать.

Список литературы

1. Патент РФ на изобретение № 2346182 ЯИ (51) МПК Р03Б 5/02 «Ветроэнергетическая парусная установка (варианты)» / Михеев А.А. // заявка № 2007108125 от 5 марта 2007 г.

2. Крючков Ю.С., Перестюк И.Е. Крылья океана: Современные парусные суда // Судостроение. 1983.

ПОДПИСКА - 2010 на январь-июнь по Объединенному каталогу «Пресса России»

На почте с ноября 2009 г. проводится подписная кампания на

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология»

по Объединенному каталогу Пресса России «ПОДПИСКА-2010, первое полугодие» Условия оформления подписки (аннотация, индексы, стоимость) вы найдете в I томе каталога

ТРЕБУЙТЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ КАТАЛОГ НА ПОЧТЕ!

Контактный номер телефона специалиста по распространению (495) 661-20-30

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (81) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010