ВИХРЕВАЯ ВЕТРО-СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

WIND ENERGY

Статья поступила в редакцию 01.06.13. Ред. рег. № 1661 The article has entered in publishing office 01.06.13. Ed. reg. No. 1661

УДК 621.548+621.383

ВИХРЕВАЯ ВЕТРО-СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

1 2

Р.А. Серебряков, В.Н. Зазимко

1 Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ. Тел.: (499)171-19-20, факс: (499) 170-51-01, e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru

2 ООО «Агентство Инвестиционного Консультирования», Гиляровского улица, д. 57, офис 232, г. Москва, 107996 Тел: 774-72-65, факс: 684-12-48, e-mail: vnz@front.ru

Заключение совета рецензентов 03.06.13 Заключение совета экспертов 05.06.13 Принято к публикации 06.06.13

В статье предлагается принципиально новый вариант комбинированной энергетической установки, состоящей из вихревого генератора для преобразования набегающего потока воздуха и современных фотоэлектрических элементов.

Ключевые слова: вихрь, генератор вихря, солнце, фотоэлектрический преобразователь.

WHIRLING WIND-SOLAR POWER PLANT

1 2

R.A. Serebryakov, V.N. Zazimko

1 All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia tel. 171-19-20; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru

2 «Agency of Investment Consulting», JSC 57-232, Gilarovskogo St., Moscow, 107996, Russia Tel: 774-72-65, fax: 684-12-48, e-mail: vnz@front.ru

Referred 03.06.13 Expertise 05.06.13 Accepted 06.06.13

The paper proposes a fundamentally new version of a combined power plant consisting of a vortex generator to convert air flow and advanced photovoltaic cell.

Keywords: vortex, vortex generator, wind, solar, photovoltaic inverter.

Сведения об авторе: агентство инвестиционного консультирования, генеральный директор, кандидат экономических наук

Область научных интересов: экономика, возобновляемые источники энергии. Публикации: 46.

Вадим Николаевич Зазимко

Анализ Российского энергетического рынка показывает, что потребление энергии в России на сегодняшний день составляет более 1 млрд. тонн условного топлива (ТУТ) в год, из них невозобновляемые источники топлива составляют 97,9% (нефть, газ и пр.), при переработке которых образуются окислы вредных веществ (Мох, СО, СН), нанося невосполнимый ущерб окружающей среде. Однако около 15% населения на 70% территории страны испытывают недостаток в электрической

энергии. В настоящее время по данным Минтопэнерго около 20 млн. граждан России живут без электро-обеспечения.

Исследования, проведенные в рамках международных и Российских программ энергосбережения и энергообеспечения, показывают, что потенциал нетрадиционных возобновляемых источников энергии может покрыть всю потребность энергоснабжения страны. Так технический потенциал нетрадиционной энергетики составляет:

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

- ветроэнергетика - 2,0 млрд. ТУТ в год;

- фото (солнечная) энергетика - 2,3 млрд. ТУТ в

год;

- малая гидроэнергетика - 125 млн. ТУТ в год;

- низкопотенциальное тепло - 105 млн. ТУТ в год.

В настоящее время в условиях экологических и топливных проблем наконец и у нас в стране на возобновляемые источники энергии и, особенно, на альтернативные источники энергии, обращено более пристальное внимание - как на вариант замены жидкого органического топлива и каменного угля. А так как наиболее дешевыми и доступными энергетическими ресурсами являются ветер и солнце, то основной упор необходимо сделать на создание энергетических комплексов на основе ветроэнергетических установок, фотоэлектрических станций и комбинированных ветро-солнечных установок.

Среди нетрадиционных возобновляемых источников энергии фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии является наиболее подготовленным для широкого использования. Он, правда, сдерживается относительно высокой стоимостью солнечных батарей, но, в то же время, имеет огромный потребительский потенциал: сельскохозяйственный сектор, автономные системы для навигационного обеспечения, системы телекоммуникаций, уличных солнечных фонарей, коттеджей и т.п.

Ветроэнергетические установки достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра (более 5-7 м/с) могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. В России такие ветра характерны только для Арктического побережья от Кольского полуострова до Чукотки, а также для побережья и островных территорий Берингова и Охотского морей. Вся средняя полоса России расположена в умеренной «ветровой зоне» со среднегодовыми скоростями ветра около 3-5 м/с, где проживает около 90% потенциальных потребителей - но это в случае, если будут использоваться ветроустановки, работающие на малых ветрах и умеющие использовать энергию низкопотенциальных восходящих тепловых потоков. Известны разработки таких установок в США [1] рис. 1 и в России [2] рис. 2.

Очевидно, что при объединении вихревой ветроэнергетической установки и фотоэнергосистем, развитие использования возобновляемых источников энергии примет ускоренный характер. Применение такого оборудования дает более эффективное и существенное снижение как начальных капиталовложений на единицу мощности, так и эксплуатационных затрат. Разработкой

отечественных комбинированных

ветрофотоэлектрических установок занимаются в Москве, Томске, Санкт-Петербурге и др.

Рис. 1. Торнадо-преобразователь Fig. 1. Tornado wind energy converter

Рис. 2. Вихревая ветро-энергетическая установка потока ветра Fig. 2. Whirling wind power installation

На рисунках 3, 4, 5, 6, 7, 8 представлены образцы ветро-фотоэлектрических установок, а на рис. 9 -схема реализации этих установок.

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Р.А. Серебряков, В.Н. Зазимко ВИХРЕВАЯ ВЕТРО-СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Рис. 7

Рис. S

Рис. 9

Рис. 3, 6, 8. Ветро-солнечный уличный светильник Рис. 7. Ветро-солнечная установка для катодной защиты трубопроводов Рис. 4, 5 Стационарные установки с разнесенным размещением ветро- и солнечных элементов конструкции Рис. 9. Ветро-солнечная электрическая станция вертикально-осевого типа

Fig. 3, 6, 8. Wind and solar street light Fig. 7. Wind and solar installation for cathode protection of pipelines Fig. 4. 5. Stationary installations with remote deployment of wind and solar construction elements Fig. 9. Wind and solar station having vertical axis

Рис. 10. Схема комплектации ветрофотоэлектрической установки

Fig. 10. Scheme of wind photovoltaic installation configuration

корпуса ВВЭУ размещаются фотоэлектрические элементы ФЭП (рис. 11).

Рис. 11. Схема конструкции ветро-солнечной энергетической установки Fig. 11. Scheme of wind- solar power system

Рис. 12. Схема входа потока воздуха в воздухозаборник Fig. 12. Scheme of air flow intake to air inlet

Недостатками конструкций, представленных на рисунках 3-9, являются:

- громоздкость конструктивного решения,

- наличие лопастного ветряка, работоспособного только при скорости ветра более 6-7 м/с.

Предлагается вихревая ветро-солнечная энергетическая установка, состоящая из фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) световой энергии и вихревого ветроэнергетического преобразователя потока ветра (ВВЭУ) в электрическую энергию, которая будет обеспечивать увеличение мощности и эффективности её работы в любых природных и географических условиях. Техническое решение такой установки представлено Патентами РФ [3, 4, 5] (рис. 11).

ВВЭУ (рис. 2) состоит из воздухозаборника (схема подачи воздушного потока в него на рис. 12), генератора вихря (рис. 13), ротора, вентильного электрогенератора, дефлектора. На верхней крышке

Рис. 13. Схема генератора вихря Fig. 13. Diagram of a vortex generator

Солнечные элементы могут быть использованы на базе моно-кремния, аморфного кремния, и очень перспективные - гетероструктурные.

Гетероструктурные солнечные элементы на основе соединений А3Ва : GaAs, GaSb и твердых растворов на их основе: AlGaAs, GalnP, GalnAs - обеспечивают в настоящее время наивысшую эффективность (25%-30%) преобразования солнечного излучения. Важным преимуществом солнечных элементов на основе соединений А3Ва является их способность эффективно преобразовывать более чем 500-кратное концентрированное солнечное излучение, что позволяет снизить расход полупроводниковых материалов (арсенида галлия, антимонида галлия и др.) пропорционально степени концентрации солнечного излучения и, следовательно, значительно

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

снизить стоимость использования солнечной энергии.

Ведутся работы по использованию мощных фотоэлектрических станций на основе высокоэффективных каскадных фото-

преобразователей и концентраторов солнечного излучения.

Для России ветро-солнечные установки должны иметь особое значение, поскольку они могут решить энергетические проблемы потребителей,

находящихся в зоне децентрализованного энергоснабжения - таких как удаленные объекты специального назначения, объекты на границе, маяки, полярные метеостанции в труднодоступных районах, малые сельскохозяйственные объекты, садовые, дачные кооперативы, дома-коттеджи, яхты и т. д.

Выводы

Благодаря предлагаемому техническому решению вихревой ветро-солнечной энергетической установки:

- увеличивается объем электроэнергии, вырабатываемой установкой, и её работа становится стабильной при постоянно меняющейся силе ветра (начиняя с 3-4 м/с) и мощности солнечного света;

- уменьшается время нахождения аккумуляторной батареи без подзарядки, что увеличивает срок её работоспособности;

- уменьшается себестоимость вырабатываемой электроэнергии за счет использования для двух источников эл. энергии общих блоков -аккумуляторной батареи, инвертора и блока управления.

Список литературы

1. Hsu C.T., Tornado Type Wind Turbines, Патент США №4452562, 1983.

2. Серебряков Р.А., Бирюк В.В. Вихревая ветроэнергетическая установка, сб. Ракетно-космическая техника, сер. XII. С. 48-73. Самара, 2000.

3. Патент на изобретение №2251022, РФ, Зазимко В.Н. Ветроэнергетическая установка., 2005. Опубликовано: 27.04.2005.

4. Патент 2286517 С1. РФ, F24J2/42 (2006.01) Солнечная фотоэлектрическая установка, Алферов Ж.И., Андреев В.М., Зазимко В.Н., Ларионов В.Р., Румянцев В.Д., Чалов А.Е. Опубликовано: 27.10.2006.

5. Патент 2307294, РФ, (11.2004) Фотоэлектрический модуль (варианты) Алферов Ж.И., Андреев В.М., Зазимко В.Н., Ионова Е.А., Ловыгин И.В., Румянцев В. Д., Хвостиков В.П., Чалов А.Е., Шварц М.З. Опубликовано: 27.09.2007.

26

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

1SJAI