Энергетика является ключевым фактором экономического процветания той или иной страны, каждая из которых нуждаются в устойчивой и экологически чистой системе производства электроэнергии. Природными источниками энергии для человека являются солнце, ветер, вода и ископаемые виды топлива [1–3].
Из всех этих природных источников энергии, ветер представляется наиболее перспективным, так как это один из самых доступных и эксплуатируемых видов возобновляемой энергии. Энергия ветра используется на протяжении веков в парусных судах для откачки воды, помола зерна, и т. д. Во всем мире проявляется интерес к развитию ветряных электростанций из-за стремительно растущего спроса на электроэнергию и сопутствующее истощение запасов ископаемого топлива, как нефть, газ или уголь.
Многие страны и регионы внедряют политику, направленную на снижение воздействия на окружающую среду промышленного сектора и переход на использование возобновляемых источников энергии. В США и Европе этот путь выбран давно и достаточно хорошо осуществляется. Применение ветроэнергетических установок (ВЭУ) на территории России должно быть подтверждено технико-экономическим основанием так как большинство районов страны имеет среднюю скорость ветра ниже необходимой для их оптимальной работы [2–5].
При использовании ВЭУ главным фактором является скорость набегающего воздушного потока, от которой зависит вырабатываемая установкой мощность. Для ускорения потока используют различные ускорители (концентраторы) потока. Для горизонтально-осевых ВЭУ изобретено множество вариантов концентраторов, которые могут быть диффузорного, конфузорного типа или их комбинацией. Они служат для направления воздушного потока с площади, большей сметаемой площади ротора, на ветровое колесо. Несмотря на большое разнообразие конструкций обширного применения данные конструкции не приобрели. Главной проблемой их применения состоит в том, что увеличить скорость ветра более чем на 20–30 % в типичных концентраторах практически невозможно, так как при очень большой скорости ветра в конфузоре возникают воздушные вихри, которые препятствуют набегающему воздушному потоку. Конечно, существуют виды конфузоров, которые увеличивают реальную мощность, но они обладают очень сложной конструкцией и редко применяются фирмами производителями.
Вместо этого целесообразнее использовать трубы Вентури, которые обладают минимальным уровнем потерь давления. Установлено, что при её использовании потерь напора составляют всего 5–20 % для длинных труб, а в коротких еще меньше. Это говорит о том, что можно усиливать скорость воздушного потока в 10–20 раз и при этом терять около 25 % энергии. Если найти более простые в исполнении конструкции, то возможно повысить эффективность ветроэнергетики. При этом уменьшая затраты на создание электростанций и повышая их надежность [4–7].
Для эффективности концентратора, входящий поток должен получить такое же сопротивление, что и потратил. Благодаря этому исчезнет турбулентность и поток будет концентрироваться, что способствует увеличение его скорости.
Будем рассматривать концентраторы в виде спиралей. К примеру, логарифмическая спираль, изображенная на рисунке 1.
Рис. 1. Логарифмическая спираль
Улучшение конфузора возможно так же до концентратора. Для этого ему нужно придать форму сопла Вентури с малым диффузором на конце устройства и добавить дополнительную фигуру специальной формы, которая расположена вдоль оси, с диаметром более чем отверстие на выходе и плавно переходящее в острие на горловине сопла. Такая конструкция называется сопла Савельева, рисунок 2. Эта конструкция сопла используется при низком давлении и имеет большой КПД. Существует возможность упрощения конструкции сопла, которая показана на рисунке 3.
Рис. 2. Сопло Савельева
Рис. 3. Упрощенные варианты сопла Савельева
По форме концентратора можно определить только его КПД. Для его правильной работы, нужно уменьшить сопротивление или повысить давления потока ветра. Из-за достаточного давления в системе трубы Вентури работают как концентраторы. Изменить давление невозможно — это постоянное давление ветра, при этом уменьшить сопротивление — можно. Необходимо лишь увеличить концентратор. От размера концентратора зависит его конструкция, чем примитивнее его конструкция, тем меньше его сопротивление потоку ветра и тем лучше его работа.
Можно использовать конструкцию кольцевого сегментного конфузора. Эта конструкция имеет вид ветряного генератора с концентратором воздушного потока в виде веера, рисунок 4. Рабочая камера, располагается вдоль оси и имеет 3–4 вертикальных стенок.
Рис. 4. Ветровые генераторы с веерными концентраторами с тремя (слева) и четырьмя стенами
Сам поток концентрируется по горизонтали. Также сверху ветроустановки можно установить чашеобразный концентратор, в нем концентрация потока проходит по вертикали, это изображено на рисунке 5.
Рис. 5. Чашеобразный концентратор
Этот воздушный поток предназначен для понижения давления в рабочей камере с помощью эжекции воздуха сквозь отверстие в верхней части рабочей камеры. Это повысит скорость выходного потока, а также эффективность концентраторов и ветроустановки в общем. В центре рабочей камеры располагается вытяжная труба, диаметр ее задать нужно таким, чтобы скорость вытяжного потока стала наибольшей. За счет этого, благодаря эжекции, через отверстие в трубе создастся намного больше разряжения. Это повысит производительность ветроустановки.
Данная ветроустановка включает в себя концентратор, который состоит из шатра и конуса, также ветроколесо с лопастями, генератор и вытяжную трубу. Предложен ветроагрегат, включающий концентратор, состоящий из шатра и конуса, ветроколесо с лопастями, генератор с вертикальным валом, вытяжную трубу. В самом концентраторе находятся криволинейные направляющие стенки, которые соединяют конус с шатром и образуют криволинейные воздушные каналы. Ветроколесо, в свою очередь сделано наподобие кожуха генератора, снаружи на нем находятся криволинейные лопасти, а сам вал генератора с одной стороны закреплен к центру конуса, а вторым к вытяжной трубе.
Воздушный поток попадает в концентратор, повышается его температура и начинает движение от криволинейного канала к вытяжной трубе. Из-за уменьшения канала повышается скорость потока. При этом каждый канал действует на одну криволинейную лопасть.
Главным отличием от ранее известных устройств является то, что внутри концентратора расположены криволинейные направляющие стенки, которые образуют воздушные каналы, сам генератор находится внутри по самому центру ветроколеса. Криволинейность направляющих стенок и лопастей ветрового колеса задана логарифмической зависимостью.
Суть ветроустанвки показана чертежами на рисунке 6, на них видно схематически приведенную конструкцию ветроагрегата.
Рис. 6. Вихревая ветростанция
В центре шатра сделана вытяжная труба. В трубе располагается ветряное колесо — генератор, снаружи зафиксированы кривообразные лопасти. Вал генератора зафиксирован в центре конуса и сверху трубы. В концентраторе располагаются кривообразные направляющие стенки. Они создают криволинейные сужающиеся воздушные каналы, которые обеспечивают подвод, под углом, воздушного потока в вытяжную трубу. Внешние поверхности шатра и вытяжной трубы покрашены в темный цвет.
Аппарат работает следующим образом. Воздушный поток попадает в концентратор и проходит через шатер и конус вдоль криволинейных направляющих стенок. Из-за воздействия солнечной энергии шатер и труба греются. Это повышает температуру потока воздуха. Горячий воздух проходит через криволинейный сужающийся канал, поэтому его скорость начинает увеличиваться. Это происходит из-за повышения температуры и сужения живого сечения. Воздушный поток входит по касательной в трубу и создает там вихревое движение. Если расположить в вытяжной трубе генератор, то уменьшится живое сечение поток, за счет чего увеличится скорость. Энергия вихревого движения передается на криволинейные лопасти. Вращаясь, лопасти передают крутящий момент в генератор. Он преобразует механическую энергию в электрическую. Воздушный поток, попав в концентратор, греется и движется по спирали к центру. Спиральное движение воздуха обусловлено направляющими стенками и конфигурацией лопастей. Направление угловой скорости вихря зависит от кривизны стенок. Увеличивая радиус концентратора, можно добиться увеличения мощности аппарата.
Данную конструкцию можно установить на суше в море или океане. Наибольшая эффективность будет проявляться в удаленных местах, где нет возможности подачи электричества обычным способом. Предлагаемое решение позволяет увеличить мощность аппарата за счет устранения воздействия сил сопротивления и установлением лопастей на внешней стороне генератора. Так же повышаются эксплуатационные характеристики и надежность.
К дополнительным преимуществам данной конструкции можно отнести: лопасти не имеют вибрации, устранено ударное воздействие на них воздушным потоком.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение данного ветроагрегата гарантирует достижение технического результата: воздух, поступая в концентратор, нагревается и за счет криволинейных направляющих стенок начинает вращательное движение. Увеличение температуры и уменьшение живого сечения потока, в свою очередь приводят его к постоянному ускоренному вращательному движению. Вихревое движение воздушного потока способствует вращению лопастей и генератора, причем лопасти на обратном ходе не испытывают сил сопротивления. Криволинейные лопасти плавно обтекаются воздушным потоком, воспринимая его действие, придают вращение генератору. Также не возникает консольной нагрузки на лопасти, и не вызывается рост ударного воздействия воздушного потока, как, например, в случае прототипа и поэтому отсутствует момент напряжения, там, где крепятся лопасти с генератором. Если нет консольного напряжения, тогда и толщину лопастей можно сделать очень малой величины, что снизит затраты на постройку конструкции. Применение данной конструкции модернизирует работу лопастей, понижает усталостное напряжение и увеличивает срок службы. Лопасти крепятся снаружи генератора, поэтому энергия вращения передается ему без использования специальных устройств. Таким образом, все это делает конструкцию проще, обеспечивая быстрый монтаж и демонтаж агрегата или моментальное устранение неполадок.
Литература:
- Бубенчиков А. А., Артамонова Е. Ю., Дайчман Р. А., Файфер Л. А., Катеров Ф. В., Бубенчикова Т. В. Применение ветроколес и генераторов для ветроэнергетических установок малой мощности // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 5–2 (36). — С. 35–39.
- Бальзанников, М. И. Усовершенствованные конструктивные решения гидро- и ветроэнергетических установок и выбор их основных параметров / М. И. Бальзанников, С. В. Евдокимов // Энергия ва ресурс тежаш муаммолари (Проблемы энерго- и ресурсосбережения). Ташкент, 2013. № 3–4. С. 88–94.
- Бальзанников, М. И. Эколого-экономическое обоснование эффективности гидроаккумулирующих и ветровых электростанций / М. И. Бальзанников, С. В. Евдокимов, Н. В. Шехова // Экономика и управление собственностью. 2015. № 1. С. 68–72.
- Евдокимов, С. В. Модель энергетической установки с концентратором потока/ С. В. Евдокимов // Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды. Тез. докл. 58-й научн.-техн. конф. Самара, 2001. — С.208–211.
- Бубенчиков А. А., Артамонова Е. Ю., Дайчман Р. А., Файфер Л. А., Катеров Ф. В., Бубенчикова А. А. Применение ветроэнергетических установок с концентраторами ветровой энергии в регионах с малой ветровой нагрузкой // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 5–2 (36). — С. 31–35..
- Елистратов, В. В. Использование возобновляемых источников энергии — путь к устойчивому развитию и энергоэффективности / В. В. Елистратов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2012. № 3 (154). С. 77–83.
- Иванов, В. М. Электроснабжение и энергосбережение с использованием возобновляемых источников энергии / В. М. Иванов и [др.] // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2015. № 2 (19). С. 88–93.
