ВИХРЕВАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.548

ВИХРЕВАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

1 2

Р.А. Серебряков, В.В.Бирюк

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 Самарский государственный аэрокосмический университет, Россия 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, Тел. (846) 267-45-66, e-mail: teplotex_ssau@bk.ru

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

В статье представлен обзор материалов по созданию вихревой ветроустановки, преобразующей набегающий поток ветра в закрученные струи, что позволяет использовать слабые ветра и низкопотенциальные восходящие тепловые потоки.

Ключевые слова: ветер, ветроэнергетика, вихрь, вихревой эффект, вихревой ветропреобразователь.

VORTEX WIND POWER PLANT

1 2

R.A. Serebryakov, V.V. Birjuk

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 Samara State Aerospace University, 443086 Russia, Samara, Moscow highway, 34, Tel. (846) 267-45-66, e-mail: teplotex_ssau@bk.ru

Referred 03.06.13 Expertise 05.06.13 Accepted 06.06.13

The article presents information on creation of a vortex wind turbine, which converts the incoming flow of wind into rotating jet, which allows using weak wind and low-potential rising thermal flows.

Keywords: wind, wind energy, vortex, vortex effect, vortex wind converter.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

WIND ENERGY

Статья поступила в редакцию 01.06.13. Ред. рег. № 1662 The article has entered in publishing office 01.06.13. Ed. reg. No. 1662

Проблемы в энергетической сфере приобретают всё большую актуальность в любой стране мира. Они носят как глобальный (проблема истощения невозобновляемых энергоресурсов, загрязнение атмосферы при сжигании нефти, газа), так и локальный характер (дороговизна подачи электричества на удаленные населенные пункты и др.). Решение данных проблем возможно при применении альтернативных источников энергии, например, за счет получения энергии из ветра.

Сама идея использования ветра для бытовых нужд человечества насчитывает более тысячи лет. Первая в нашей стране ветровая электростанция мощностью 8 кВт была сооружена в 1929-1930 г.г. На сегодняшний день в Евросоюзе поставлена задача добиться получения от возобновляемых источников до 30% и более электроэнергии (в Германии сейчас -27%, в Дании - 20%, в Англии - 17%, в России -0,1%). Однако в России эффективное применение

предлагаемых рынком ветроэлектрогенераторов (ветряков) невозможно в силу конструкционных особенностей этих ветряков и низкого потенциала ветров на территории России. 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 не обеспечивает условий эксплуатации сегодняшних ветряков. Крайне перспективной в этом свете видится эксплуатация вихревых эффектов в конструкции ветряков, что позволит не только вырабатывать энергию на ветрах со скоростью 2,53,5 м/с, но и даст возможность работы ветряка от восходящих тепловых потоков, а также избавит от низкочастотных шумов, присущих любой лопастной

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

ветроустановке. Вихревой эффект, внешне простой, на самом деле обусловлен настолько сложными гидродинамическими процессами, происходящими в турбулентном потоке сжимаемого газа, что классической теории вихревых потоков не создано до сих пор. Первые попытки объяснения вихревых эффектов появились в трудах основоположника вихревой теории винта Н.В. Жуковского еще в начале XIX века. Но основной вклад в развитие основ теории вихревых эффектов внес профессор Куйбышевского авиационного института (ныне Самарский Государственный аэрокосмический университет - СГАУ) А.П. Меркулов. Созданная им в конце 50-х годов прошлого столетия «Отраслевая научно-исследовательская лаборатория тепловых двигателей и холодильных машин» (ОНИЛ-9 Министерства авиационной промышленности) провела огромный объем теоретических и экспериментальных исследований вихревого эффекта [1].

Впоследствии, в числе многочисленных практических применений вихревого эффекта, была предложена идея создания вихревого ветряка, эффективность работы которого возрастала бы за счет дополнительного завихрения ламинарного потока воздуха (рис. 1) [2]. Идея была простая, ведь основная проблема обычных ветряков - либо слишком слабые, либо слишком сильные ветра. При небольших ветрах лопастные ветряки просто не работают, в случае же штормовых - их лучше не только останавливать, а класть вместе с мачтами на землю. Для ветряка, использующего вихревой эффект, не нужны ни сильный ветер, ни высокая мачта, ни система ориентации на ветер, а входящий поток контролируется простым регулированием расхода воздуха, поступающего на воздухозаборник. Причем эти ветряки можно устанавливать модульно - друг на друга (рис. 2), повышая мощность до необходимой независимо от силы ветра. Вихревая ветроустановка может применяться на местности, где преимущественно скорость ветра не велика и не стационарна во времени, что особенно актуально для большей части России.

Вихревая ветроэнергетическая установка (ВВЭУ) (рис. 3) способна использовать низкопотенциальные воздушные потоки, движущиеся в атмосфере и акваториях со скоростью от 3-4 м/с, утилизированные тепловые потоки, сбрасываемые во внешнюю среду промышленными предприятиями, и возможности преобразования гелио- и геотермальной энергии в виде

термоиндуцированных восходящих струй воздуха. Это устройство преобразует равномерный поток ветра в вихреобразные струи, является концентратором ветровой мощности, организует и аккумулирует энергию ветра и низко-потенциальные тепловые потоки аналогично тому, как в природных условиях кинетическая энергия ветра, распределенная в значительном объёме,

концентрируется до огромных величин в компактном ядре природного смерча или торнадо [2, 3].

Вихревая ветроустановка способна

автоматически подстраиваться под реальную скорость набегающего воздушного потока при расчетных значениях чис ла оборотов ротора электрогенератора, что обеспечивает преобразование энергии с высокой эффективностью при более широком диапазоне скоростей ветра (рис. 4). Для существующих в настоящее время ветроустановок рабочий диапазон скоростей ветра составляет от 615 м/с до 20-25 м/с. ВВЭУ, за счет, в первую очередь, модульного построения ветропреобразователей, позволяет расширить рабочий диапазон скоростей ветра от 3 м/с до 60 м/с и более [4]. В процессе разработки ВВЭУ полностью завершен этап НИР и близок к завершению этап НИОКР (на рис. 5 представлены детали и узлы экспериментального образца ВВЭУ).

Преимущества ВВЭУ 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 установки предполагает её модульное исполнение из идентичных функциональных модулей;

- стабилизация числа оборотов ротора обеспечивается изменением площади воздухозаборника установки;

- коэффициент использования энергии ветра 4 ~0,3;

- быстроходность 2=1,5-2,0.

Рис. 1. Макет ВВЭУ Fig. 1. VVEU model

28

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

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

1SJAI

Р.А. Серебряков, В.В. Бирюк ВИХРЕВАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Рис. 2. Модульная конструкция ВВЭУ Fig. 2. Modular design of VVEU

N, КВТ

¡ /f- ч—-

- . Г. 1_М - >4

: I . // г / ¡J— v^

. № /

¿W

/Í ¥

>

5 10 15 20 25 V, mVC

- ВВЭУ-0,5 ШЕКСНА-1-----УВЭ-500

---TORNADO ——ВЭС-0,5---------LMW-вОО

Рис. 4. Сравнительные характеристики N=f(Vs) для лопастных ветряков и ВВЭУ Fig. 4. Comparative data N=f^) for wind blade turbines and VVEU

Рис. 3. Экспериментальный образец ВВЭУ Fig. 3. Experimental model of VVEU

Рис. 5. Детали и узлы экспериментального образца ВВЭУ Fig. 5. Parts and components of VVEU experimental sample

Экологическая оценка вихревой ветроустановки

Ветроэнергетика во всём мире стремительно набирает обороты. Однако в своем развитии ей приходится преодолевать многочисленные трудности, как объективные (высокая стоимость чистой энергии; низкая плотность энергии, приходящейся на единицу площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона, требующие резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути миграции птиц), так и специфические - необходимость получения многочисленных разрешений, в том числе от связистов, ведомств гражданской авиации и от военных. Крупные стационарные лопастные ВЭУ (мощностью более 20 кВт) негативно влияют на телесигнал. На расстоянии до 0,5 км они вызывают помехи в телесигнале. Это связано с тем, что лопасти ветрового колеса ВЭУ отражают сигнал, вызывая помехи при передаче телевизионного сигнала. Во время работы таких ВЭУ возникает достаточное количество инфразвука, влияющего на состояние человека и животных. Кроме того, при работе крупных ВЭУ возникает естественный шум от работы ветрового колеса. Поэтому размещение ВЭУ мощностью больше 10 кВт в пределах города (посёлка) нежелательно. Их необходимо размещать на безопасном расстоянии от населенных пунктов (0,5-1,0 км). Авиадиспетчеры вот уже несколько лет жалуются, что стационарные лопастные ветряные установки появляются на их радарах и мешают не только самим фактом своего присутствия, но и за счет создания так называемых «теней», которые на экране отображаются как длинные черточки. В этих «тенях», которые достигают несколько сотен метров,

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

радиолокационная станция не может больше обнаружить никаких объектов [5]. Сигнал от ветряка может иметь разную силу в зависимости от погодных факторов, угла поворота и частоты вращения ротора ветроустановки. Вихревая ветроэнергетическая установка конструктивно выполнена так, что ротор находится внутри корпуса установки, так что не составляет никакого труда экранировать низкочастотные акустические шумы ротора. Технологии использования

шумопоглощающих покрытий разнообразны и широко используются в авиационной и РЛС технике.

Выводы

В данной статье представлены обобщенные результаты теоретических и экспериментальных исследований аэродинамических моделей вихревых ветроэнергетических установок, подтверждена возможность использования закрученных потоков, а также - возможность создания вихревых ветропреобразователей. В результате сформирован облик вихревой ветроэнергетической установки, позволяющий использовать малые ветра и

низкопотенциальные тепловые восходящие потоки. Следующим этапом этой работы должен быть натурный эксперимент в аэродинамических трубах и в полевых условиях.

Список литературы

1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969.

2. Серебряков Р.А., Юденков Н.А. Результаты экспериментальных исследований модели вихревого ветроэнергетического преобразователя. Н\т отчет ЦАГИ, №2, НИЦ «Аэродинамика», 1992.

3. Серебряков Р.А., Шутов В.И. Выбор и обоснование способов формирования регулярных вихревых потоков для генератора и концентратора вихрей, использующих энергию ветра. Отчет НИИАС, №109, 1993.

4. Серебряков Р., Бирюк В.В., Толстоногов А.П. Вихревая ветроэнергетическая установка, сб. Ракетно-космическая техника, сер. XII. Изд. ВКБРКК Энергия. г. Самара, 2000. С. 48-73.

5. http://www.cnews.ru/newcom/index.shtml

30

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

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

1SJAI