Ветрогенераторная установка
Добавить рекламное объявление

Ветрогенераторная установка

http://www.tex-invest.ru/projects/windpower.php

Постановка задачи
Почему не подходят современные ветроустановки
Что предлагается нового в этой области
Что представляет собой предлагаемая ветроустановка
Эффективность установки
Сравнительная характеристика установки

 

I. Постановка задачи

При разработке новой ветровой энергетической установки преследовались одновременно несколько целей.

Цели создания установки:

Другими словами, принимались к рассмотрению только возобновляемые, экологически чистые, т.н. альтернативные источники энергии. При тщательном рассмотрении таковых среди возобновляемых источников первичной энергии для такого устройства был выбран ветер, а точнее – кинетическая энергия ветрового потока. Необходимо отметить, что ветер является одним из наиболее мощных среди альтернативных энергетических источников и может быть сравнительно легко утилизирован в народном хозяйстве в значительных масштабах. Кроме того, этот источник самый доступный и демократичный практически в любом регионе Земли.

Острая необходимость в подобных установках созрела потому, что современный мир характеризуется, к сожалению, резким увеличением чрезвычайных ситуаций в системе энергетического обеспечения. Это происходит по причине увеличения таких негативных факторов, как терроризм, локальные войны, глобальное изменение климата, приводящее к природным и техногенным катастрофам и т.д. Кроме того, необходимость в таких установках назрела еще и потому, что в последнее время наблюдается очень интенсивный рост экономик многих стран и населения Земли в целом, увеличиваются и площади вновь осваиваемых территорий. Эти факторы вызывают заметное увеличение энергопотребления. Однако возрастающий спрос на электроэнергию значительно опережает возможности роста мощностей по ее производству и транспортировке.

К тому же существуют и многие другие области деятельности, где необходимо применять надежный и эффективный автономный источник электроснабжения. Например, для обеспечения экологически чистой электрической энергией национальных парков и заповедных зон, других строго охраняемых территорий. Применять существующие традиционные ветроустановки для этих целей нельзя. Иначе говоря, ставилась задача создания совершенно нового изделия нигде серийно ранее в мире не производимого, предназначенного для эксплуатации в городских и прочих местностях по мере надобности.

Однако возникает вопрос, почему же современные ветрогенераторные установки, успешно используемые сейчас во многих странах мира, не годятся для указанных целей?

II. Почему не подходят современные ветроустановки

Мировая практика показывает, что промышленностью освоены и эксплуатируются два типа ветроагрегатов – с горизонтальной (крыльчатые) и вертикальной (лопастные – карусельные и ортогональные) осью вращения ротора. Причем более 95% мирового рынка ветроэнергетики использует схему с горизонтальным ротором. Обе схемы обладают рядом известных положительных характеристик - они не производят загрязнения воздуха, не требуют воды для охлаждения, не вызывают теплового загрязнения и не потребляют топлива. Однако все же они оказывают некоторые негативные влияния на окружающую среду, которые, конечно же, ни в коей мере не идут в сравнения с влияниями на нее при сжигании ископаемого топлива. Какие? Ветрогенераторная машина с горизонтальной осью, например, производит шум, требует земельных площадей и дорогих конструкционных материалов. Она оказывает для многих отрицательное визуальное воздействие, может вызывать помехи близко расположенным TV приемникам, повышает ионизацию воздуха вокруг себя, генерирует отрицательно влияющий на людей и животных инфразвук, пагубно воздействует на птиц, пчел, и т.д. Но главный недостаток этих ветроустановок заключается в том, что им необходим совершенно исключительный и довольно редко встречающийся на поверхности земли режим ветрового потока. Эффективно и целесообразно их применять можно только там, где ветровой поток имеет стабильные режимы – горизонтальный и постоянный, как по направлению, так и по величине (например, как в аэродинамической установке), а это в среднем от 9 до 18 метров в секунду. К сожалению, такой промышленный режим ветрового потока встречается далеко не везде, не более, чем на 15-20% мировой суши. Однако часто такие земли уже заселены, или отдалены и труднодоступны, или непригодны для поселения людей. Если же попытаться дать данным ветроустановкам общую характеристику, то режим их работы при скоростях ветра до 8 м/сек экономически нецелесообразен из-за их малой эффективности, а свыше 20 – 25 м/сек их необходимо останавливать при помощи автоматики или вручную, чтобы избежать возможных повреждений. Мощность применяемых ветрогенераторных установок в основном зависит от длины лопастей и качества ветра. Поэтому, чем длиннее лопасть и больше скорость, и постоянство ветра, тем большее количество и качество перехватываемой энергии. Отсюда вытекает необходимость сооружать высокие мачты или даже специальные башни высотой до 100 и более метров, изготовлять лопасти рабочего колеса диаметром свыше 90 метров и массой каждой лопасти до десятков тонн, располагать на этой высоте генератор электрического тока, коробку передач (для некоторых крупных и средних ветряков), контактные кольца, электрокабель, системы безопасности и остановки двигателя (или разворота его лопастей против ветра на случай штормовой погоды), автоматику и многое другое. Получается внушительная, сложная, дорогостоящая и не безопасная конструкция. По этим причинам эти (часто называемые “традиционные”) ветроагрегаты невозможно располагать в густонаселенных местах, вблизи от домов или предприятий. Они всегда располагаются на высоких, открытых всем ветрам местностях, отдаленных от строений (в последнее время вообще выносятся на многие километры в море), и от них необходимо тянуть электрический кабель, что порой очень неудобно и экономически маловыгодно.

Еще одна причина, сдерживающая широкое распространение традиционных ветрогенераторов - это их довольно-таки высокая установочная стоимость. С учетом комплектации ветроустановки периферийными устройствами (электроника, аккумуляторы, устройства коммутации и безопасности и т.д.), транспортными расходами, расходами на монтаж, пуско-наладочные и прочие работы установочная стоимость типовых ветрогенераторов некоторых фирм доходит до четырех и более тысяч US$ за каждый кВт вырабатываемой установкой электроэнергии, что оказывает негативное влияние на их конкурентоспособность. Отпускная же цена на электроэнергию в среднем составляет порядка шести-восьми (часто и более того) центов за 1 кВт/ час, что тоже не очень дешево. Существует также проблема частых профилактических работ, которые необходимо осуществлять ветромашине, поскольку в ней заключено достаточно много сложных механизмов. Отсюда и высокие эксплуатационные расходы. Кроме сказанного, данные ветроагрегаты плохо работают в крайних северных и южных широтах в холодный период времени по причине возможного обледенения ротора (лопастей).

Что касается ветроэлектроустановок с вертикальной осью вращения, то они имеют некоторые положительные характеристики по сравнению с крыльчатыми ветроагрегатами. Например, некоторые из них обладают большим крутящим моментом, работоспособны при любом направлении ветрового потока и оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, имеют низкие эксплуатационные расходы. Однако, тем не менее, они занимают менее 5% от общего рынка ветроэнергетики вследствие ряда присущих им недостатков. Например, в номинальном режиме работы они имеют сравнительно меньшую эффективность, а наличие пульсации крутящего момента приводит к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора, и некоторым другим.

Исходя из вышеизложенного стало понятно, что для устойчивой, надежной и безопасной работы ветроустановки в условиях с господством порывистых, шквальных и переменных ветровых потоков необходимо разрабатывать ветроэнергоустановки, адаптированные именно к этим условиям.

III. Что предлагается нового в этой области

В процессе разработки новой ветроэнергетической установки, которая отвечала бы поставленным целям (см. п.1), были учтены многие вышеизложенные недостатки современной ветроэнергетики.

Главные характеристики, свойственные предлагаемой ветрогенераторной установке следующие:

  1. Установка рассчитана на любые характеристики ветрового потока. Однако, наиболее эффективное применение установки при таких условиях эксплуатации, когда ветровой поток неустойчивый, порывистый, низконапорный, переменный по силе и направлению, имеющий шквальный, а также верховой или низовой характер. Особенно хорошо она будет работать при отраженных ветрах, т.е. когда ветер приходит с просторов (степных или морских) и распространяется в условиях лесистой, гористой (холмистой) или городской местности. Такой ветровой поток практически преобладает на большей части поверхности земной суши, и он особенно свойственен местам традиционного проживания людей и/или где могли бы применяться ветроустановки. Установка будет работать и вырабатывать электрический ток при скорости ветра, начиная практически от самого тихого. Верхний допустимый предел скорости ветра ограничен только конструкционными особенностями. Установка не требует вывода ее из под ветровой нагрузки и/или остановки в случаях, если ветер имеет штормовые или даже ураганные значения. Более того, при таких условиях эксплуатации выработка электроэнергии будет продолжаться.
  2. Установка сравнительно безопасна и может эксплуатироваться в непосредственной близости от потребителей электроэнергии. Поскольку в ней отсутствуют какие-либо видимые вращающиеся элементы конструкций, она не будет оказывать отрицательного визуального воздействия и портить природный ландшафт. Занимаемая установкой площадь минимизирована и составляет (в зависимости от конструкции) в среднем 0,2-0,4 кв. метра поверхности на 1 кВт вырабатываемой электроэнергии. В городской черте, например, данные установки можно будет безопасно размещать на крышах зданий и сооружений (как некоторых существующих, так и строящихся), а так же они могут входить и как энергетический блок в проектируемых архитектурных сооружениях, особенно высотных. Кроме того, их можно размещать в парковой и лесопарковой зонах, во дворах зданий, как составную часть ансамблей площадей и скверов. Внешне их можно гармонично вписывать в окружающий ландшафт.
  3. В процессе разработки данной установки кроме надежности и безопасности ставилась еще и цель создать сравнительно не дорогой источник электрического тока. Поэтому в конструкции установки использовались только хорошо известные и отработанные человеческой практикой за многие поколения простые приспособления, узлы и механизмы. Предполагается, что работоспособность устройства будет сохраняться при температуре окружающей среды от плюс 70 до минус 60 градусов Цельсия. Возможны и более жесткие условия эксплуатации при внесении на них поправок в конструкцию на стадии проектирования. Все элементы, отвечающие непосредственно за выработку электрического тока, располагаются на поверхности земли и поэтому установка проста в обслуживании, ремонтопригодна, и характеризуется низкими эксплуатационными расходами. Она не содержит дефицитных деталей и не требует в принципе создания новых материалов, механизмов и узлов, т.е. это новое видение того, как можно использовать производящиеся и отработанные на практике конструкции для иного применения. По этой же причине себестоимость при изготовлении данных ветрогенераторных установок не велика и предполагается в пределах 1500 - 2500 рублей за каждый киловатт установочной мощности в зависимости от серийности их производства и конструкционных особенностей. Это значительно ниже сложившихся цен на ветроэнергетическом рынке.

Учитывая вышеизложенное можно предположить, что предлагаемая к освоению ветроустановка могла бы найти свое применение для: а) увеличения энергетической безопасности и надежности электроснабжения в населенных пунктах; б) создания резервных мощностей; в) снижения уровня нагрузок на распределительную сеть в момент пикового потребления мощности; г) осуществления резервных поставок электроэнергии для освещения подъездов домов, других зданий и сооружений, а так же прилегающих к ним территорий; д) организации временных, аварийных и/или местных сетей электропитания, например, при чрезвычайных ситуациях или в военных целях; е) обеспечения электрической энергией заповедных, охранных и/или вновь осваиваемых районов и территорий, и т.д.

IV. Что представляет собой предлагаемая ветроустановка

Как известно, любая ветроустановка имеет определенную парусность. Поэтому в результате фронтального воздействия кинетической энергии ветрового потока на ветроустановку она оказывается под действием значительных сил, как правило, горизонтально направленных. Для того чтобы компенсировать эти «паразитные» силы и обезопасить работу ветроустановки от их воздействия, применяют мощные фундаменты или/и растяжки.

В предлагаемой Вашему вниманию ветроустановке осуществлена попытка не бороться с этими «паразитными» силами, а использовать их на благо и, таким образом, увеличить суммарный коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), т.е. преобразовать эти фронтальные воздействия ветрового потока в электрический ток.

Если приводить образное сравнение, то установку можно представить как некий рычажный механизм, обладающий парусностью и совершающий механические возвратно-поступательные движения. Кинетическую энергию этих механических движений можно преобразовать в электрическую энергию (или в другие виды энергии) используя известные преобразователи, например, гидравлические, электромеханические, механические, пьезоэлектрические, их комбинации и т.д. Кроме того, в зависимости от комплектации установки, она может производить еще и механическое вращательное движение, кинетическую энергию которого можно преобразовать в электрическую энергию. Гидравлический преобразователь был выбран потому, что он является хорошо известным и отработанным с инженерной и практической точки зрения механизмом.

vetro_ustanovka_1.jpg

Схематически и в общем виде принцип работы ветроустановки с использованием одного только гидравлического преобразователя показана на рис. 1. Такая установка будет работать в местностях, где ветровой поток наблюдается неустойчивый, порывистый, переменный по силе и направлению. Установка состоит из опоры 1 (показана в разрезе) и прикрепленной к ней одним окончанием при помощи шарнирного соединения 2 вертикальной мачты 3 с несколькими горизонтальными ответвлениями 4 (показаны в разрезе). К мачте 3 крепится устройство 5 (называемое “парус”), который представляет собой конструкцию, обладающую поверхностной площадью и способностью оказывать максимальное сопротивление ветровому потоку 6. Конструктивно парус может иметь внешне самые различные формы и размеры. Горизонтальные ответвления 4 соединены с компенсаторами 7, которые могут быть в виде цилиндрических пружин или иных компенсирующих устройств. Компенсаторы 7 удерживают мачту 3 посредством горизонтальных ответвлений 4 и распорок 8 в исходном вертикальном положении при отсутствии воздействия ветрового потока 6 на парус 5, и возвращают мачту 3 обратно в исходное вертикальное положение после окончания воздействия ветрового потока 6 на парус 5. Смысл применения паруса и компенсаторов в установке заключается в том, чтобы придать мачте, а значит и горизонтальным ответвлениям установки режим механических колебательных, возвратно-поступательных движений. Горизонтальные ответвления 4 соединены с насосами 9, рабочие камеры которых оборудованы впускными и выпускными клапанами. Величина амплитуды рабочего хода насосов 9 и компенсаторов 7 регулируется простыми ограничителями 10 (показаны в разрезе), жестко соединенными с общим основанием 11 (допустим поверхностью земли или крыши здания), на котором располагается и опора 1. Для обеспечения необходимой устойчивости всей конструкции количество горизонтальных ответвлений 4 и ограничителей хода 10, удерживающих установку в целом, теоретически должно быть не менее трех. Однако для простоты восприятия принципа действия установки на рис. 1 их указано только два. Помимо этого, установка содержит питающую 12 и напорную 13 магистрали, которые могут быть наполнены газовой или жидкой средой, выполняющей функцию рабочего тела. Питающая магистраль соединена с впускными клапанами рабочих камер насосов, а напорная магистраль соединена с выпускными клапанами рабочих камер насосов. Магистрали, в свою очередь, соединены с устройством 14, служащим для преобразования кинетической энергии рабочего тела, находящегося в магистралях, в механическое вращательное движение. Конструктивно преобразующее устройство 14 может иметь различные и хорошо известные схемы исполнения (поэтому на схеме они не детализируется). Если предположить, что в нашем случае в магистралях находится жидкость, то устройство может состоять из регулирующих клапанов, гидравлических аккумулятора и двигателя и т.д. Гидравлический двигатель устройства, в свою очередь, напрямую или через соединительную муфту соединен с генератором электрического тока 15.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. При воздействии ветрового потока 6 на парус 5 установки мачта 3 совместно с горизонтальными ответвлениями 4, преодолевая сопротивление компенсаторов 7, совершает отклонение относительно шарнира 2. При этом происходит воздействие на насосы 9, которое приводит к изменению объемов их рабочих камер. В результате этого в напорной 12 и питающей 13 магистралях происходит движение жидкости и через систему клапанов происходит зарядка гидроаккумулятора в устройстве 14. После окончания воздействия ветрового потока 6 на парус 5 компенсаторы возвращают мачту 3 и ее горизонтальные ответвления 4 в исходное положение. При этом они опять совершают отклонения относительно шарнира 2, но теперь уже в обратную сторону и снова происходит воздействие на насосы 9, которое приводит к изменению объемов их рабочих камер. Таким образом, рабочее тело (жидкость) нагнетается по напорной магистрали 12 в устройство 14, в гидравлическом аккумуляторе которого создается повышенное давление нагнетаемой жидкости. При превышении определенного уровня давления в гидравлическом аккумуляторе, которое регулируется клапанами, жидкость начинает воздействовать на гидравлический двигатель, вызывая, тем самым, вращение его вала. Поскольку гидравлический двигатель нагружен на вал генератора электрического тока 15, то последний будет вырабатывать электрическую энергию. Электроэнергия будет вырабатываться до тех пор, пока гидравлический двигатель будет осуществлять вращение вала, т.е. пока давление в гидравлическом аккумуляторе не снизится до определенного регулируемого уровня. Далее процесс повторяется. Таким образом, кинетическая энергия ветрового потока превращается в энергию электрического тока. В установке можно использовать несколько гидравлических аккумуляторов, соединенных последовательно или параллельно. Таким образом, появляется возможность накопить в них огромную потенциальную энергию, и это очень важно в случае длительного штилевого характера ветрового потока.

На данную ветровую энергетическую установку выдан патент Российской Федерации на изобретение с приоритетом от 01 июня 2004 года.

vetro_ustanovka_2.jpg

В местностях, где наблюдается не только неустойчивый, порывистый, переменный по силе и направлению ветровой поток, но и такой, который имеет более или менее стабильные режимы (постоянные по величине и направлению), желательно применять комбинированную ветроустановку, которая схематически и в общем виде показана на рис. 2. В ней на мачте крепятся два типа парусов: пассивный А и активный В. Пассивный парус А – это такой, который применялся в установке по схеме, изображенной на рис. 1. Он обладает только поверхностной площадью и способностью оказывать максимальное сопротивление ветровому потоку. Кроме этих свойств пассивного паруса, активный парус В еще и преобразует кинетическую энергию ветрового потока в кинетическую энергию механического вращательного движения. Фактически его можно обозначить как парус-ветродвигатель.

Практически в качестве активного паруса установки могут применяться любые известные типы ветродвигателей, как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения ротора, т.к. все они обладают парусностью. Однако в сочетании с гидравлическим преобразователем, по моему мнению, схематически наиболее оправдано применение лопастного карусельного ветродвигателя с вертикальной осью вращения ротора. Он наиболее прост в эксплуатации, его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. Кроме того, его конструкция позволяет отказаться от системы ориентации на направление ветра. Из-за большого геометрического заполнения лопастной ветродвигатель обладает большим крутящим моментом, который не уменьшается с увеличением нагрузки. Это очень важно в случае, если его ось вращения нагружена на насосный механизм. Для увеличения эффективности использования энергии ветра (а значит и мощности ветроэнергоустановки в целом) предлагается применить обычный кольцевой концентратор воздушного потока.

vetro_ustanovka_3.jpg

Конструктивно активный парус-ветродвигатель схематически изображен в сечении С – С на рис. 3. Внутри кольцевого концентратора с вертикальными направляющими лопатками 17 на вертикальном валу 18 закреплено ветроколесо, состоящее из ряда протяженных по вертикали лопастей 19. Лопатки 17 сориентированы таким образом, чтобы без применения механизма ориентации ветровой поток 6 направлялся бы только на те лопасти ветроколеса, которые создают вращательный момент в одном направлении, независимо от направления ветра. Вертикальный вал 18 (см. рис. 2) под действием энергии ветрового потока вращается внутри мачты 3. У основания мачты 3 вал 18 кинематически связан с гидронасосом 20 который через свои впускные и выпускные клапана присоединен к питающей 12 и напорной 13 магистралям установки. Когда под воздействием ветрового потока 6 вал 18 установки придет во вращение, то в напорную магистраль 12 будет нагнетаться жидкость не только благодаря работе насосов 9, но и насосу 20. Вертикальная мачта 3 в данном виде установок жестко соединена со своими горизонтальными ответвлениями 4 посредством усиленных распорок 8. Поскольку парус-ветродвигатель В увеличивает общую парусность всей установки, то усилия, заставляющие мачту совершать возвратно-поступательные движения так же увеличатся.

При этом необходимо отметить, что мачта 3 совместно с горизонтальными ответвлениями 4 представляет собою один из видов хорошо известных простых механизмов – рычаг, вращающийся вокруг точки опоры – шарнирного соединения 2. Поэтому сумма равнодействующих сил f1+f2 (см. рис. 4), которые действуют на компенсаторы 7 и насосы 9 будет больше, чем равнодействующая сила F ветрового потока на парусную составляющую установки.

vetro_ustanovka_4.jpg

Соотношения сил практически будет зависеть от соотношения (назовем его К) длин плеч приложения этих сил (l и L соответственно). Допустим, в реальной установке L=15 метров, а l =3 метра, то соотношения длин плеч “К” приложения сил равно 5. Поэтому сумма равнодействующих сил f1 и f2 будет в 5 раз больше, чем равнодействующая сила F воздействия ветрового потока 6 на активный и пассивный парус 5 ветроустановки.

V. Эффективность установки.

Для технологий, основанных на использовании невозобновляемых топливных ресурсах, порой решающее значение имеет высокая эффективность. Что касается технологий, основанных на возобновляемых источниках энергии, то вполне допустима низкая первичная эффективность, если при этом затраты на создание установок, использующие эти технологии, будут относительно невелики. Как показывает практика, в процессе эксплуатации новых установок накапливается опыт, в результате которого показатели эффективности и стоимости установок улучшаются.

Эффективность предлагаемой установки приблизительно могла бы быть следующей. Допустим, что в экспериментальной городской установке мы используем только активный парус-ветродвигатель с вертикальной осью вращения, рассчитанный на использование силы сопротивления ветровому потоку (предположим, ротор Савониуса закрытого типа с концентраторами ветрового потока). На мачте 3 (см. рис. 2), которая в этом случае должна быть внутри полой (на рис. 2 изображена труба, но возможна любая другая сборная конструкция), монтируются активный парус-ветродвигатель В.

При оценке общей эффективности установки будем использовать следующие исходные данные. Как известно, коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) при работе поверхности силой сопротивления не превышает 0,192. Однако по результатам продувок ротора Савониуса (для некоторых его модификаций) этот коэффициент равен 0,3. Что касается гидравлического преобразователя, то согласно утверждениям специалистов, современные технологии позволяют уверенно, без применения дорогостоящих материалов и комплектующих изготовить такой гидравлический преобразователь 14, в котором внешние утечки рабочего тела (жидкости) практически бы равнялись нулю. Эффективность такого преобразователя оценивается в пределах 0,7-0,8.

Представляется, что полная мощность установки будет суммарно состоять из двух мощностей. Во-первых, это мощность, полученная в результате преобразования механических возвратно-поступательных движений ветроустановки в электрический ток (назовем её Р1). Во-вторых, это мощность, полученная в результате преобразования механических вращательных движений ротора Савониуса ветроустановки в электрический ток (назовем её Р2). Для упрощения подсчета пренебрежем потерями в мачте 3, в горизонтальных ответвлениях 4 и на трение в шарнирном соединении 2. Потери в компенсаторах 7 примем за 50%, а в генераторе электрического тока за 5%.

Предположим, что:

Для расчета мощностей Р1 и Р2 ветроагрегата с учетом потерь и КИЭВ воспользуемся приближенными формулами:

P1=S*r*V3*kкгпг/2,

P2=S*ф*V3*kгпг/2,

Р=Р1+Р2

где:
Pобщая мощность ветроустановки (Вт);
S - площадь обдува ветродвигателя (ометаемая площадь), находящаяся под действием ветрового потока (м2);
r - средняя плотность воздуха (? = 1,225 кг/м3 при Т=160 С);
V - скорость ветра (м/с);
k - коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ);
фк – КПД компенсаторов (50%);
фгп – КПД гидравлического преобразователя (75%);
фг – КПД генератора электрического тока (95%).

 

С учетом заданных параметров:

Р1=30*1,225*125*0,192*0,5*0,75*0,95:2=157,1 Вт;

Р2=20*1,225*125*0,3*0,75*0,95:2=327,3 Вт,

Р=Р1+Р2=157,1+327,3=484,4 Вт (приблизительно 500Вт).

При ориентировочном расчете номинальной мощности скорость ветрового потока в исходных данных была принята равной 5 м/сек потому, что согласно исследованиям именно такая среднегодовая скорость наблюдается, например, в Москве на высоте 20 - 25 метров. И эта скорость ветра возрастает с увеличением высоты.

Иными словами, если этот экспериментальный ветрогенератор разместить на крыше какого-либо здания (например, госпиталя) в пределах Москвы, то можно рассчитывать, что в течение суток мы можем получить от него 12 кВт, а в течение года 4380 кВт электрической энергии. Поскольку площадь, занимаемая ветрогенератором, сравнительно не большая, то на крыше здания их можно разместить несколько.

VI. Сравнительная характеристика установки.

Как видно из формулы (см. раздел V), мощность ветрового потока увеличивается пропорционально третьей степени (кубу) скорости ветра. К примеру, если скорость ветра возрастает в два раза (например, с 5м/с до 10м/с), то энергия ветрового потока возрастает в 8 раз. Как известно из практики, «традиционные» крыльчатые ветрогенераторы развивают свою номинальную мощность при скоростях ветра порядка 10-12 м/с. Ожидается, что предлагаемый к внедрению экспериментальный городской ветрогенератор при скорости ветра 10 м/с будет развивать мощность 4кВт. Для сравнения, «традиционный» крыльчатый ветрогенератор с номинальной мощностью в 4 кВт при скорости ветра 10 м/с должен иметь диаметр ротора (винта) не менее 5 метров (ометаемая площадь почти 20 м2), что по внешним габаритам не намного меньше предлагаемого к внедрению экспериментального городского ветрогенератора. Иначе говоря, есть надежда, что удельная мощность нового ветрогенератора будет соизмерима с «традиционными» ветроустановками. Однако крыльчатые ветрогенераторы невозможно применять в городских условиях по причинам, указанным в разделе II. Есть еще дополнительные и очень важные причины, почему крыльчатые ветрогенераторы не рекомендуется применять на (допустим) крышах зданий. Дело в том, что скорость отраженных и/или порывистых ветров в городских условиях могут увеличиваться с изменением высоты вплоть до 20-30% на каждые 10 м. Допустим, что крыльчатый ветрогенератор будет установлен на крыше здания, и диаметр его ротора (ветроколеса) составляет 10 метров. Когда в процессе работы лопасти его ветродвигателя установятся в вертикальное положение и его нижняя точка ротора будет удалена от поверхности, допустим на расстоянии 4 метра, то верхняя точка подымится на 14 метров. Если скорость ветра на нижней точке установки будет равна 10 м/с, то возможная скорость на верхней точке будет равна 13 м/с. Это означает, что ветер на лопасть в верхней части будет давить ощутимо сильнее, чем внизу. К тому же внизу поток ветра, нарезанный лопастью, будет рождать пульсации отличные от тех, что в верхней части потока. Если к этому прибавить, что вероятный вес этой конструкции приблизительно будет равен 300 - 500 кг, то инерционность установки в данном случае будет играть отрицательную роль. Шанс разрушения лопастей ротора установки при этом очень высок, учитывая, что в городских условиях ветровой поток завихряется, дует как бы в пульсирующем режиме, легко и часто непредсказуемо принимает буревой и даже шквалистый характер.

Что касается предлагаемой к внедрению экспериментальной городской ветроустановки, то такие режимы ветрового потока будут только способствовать улучшению ее технических характеристик.

Ниже на графике приводится предполагаемая выходная мощность (в кВт) городской ветроустановки в интервале скоростей ветра от 2-х до 16 м/с.

vetro_ustanovka_5.jpg

Кроме того, конструкция предлагаемой ветроустановки позволяет осуществить монтаж на ее мачте панелей солнечных батарей, что придаст ей универсальность применения, особенно в южных широтах.

Размещено на сайте 29.01.2014

Статьи других авторов

На главную

Добавить рекламное объявление
Яндекс.Метрика
Hosted by uCoz