Двухроторная ветроустановка с ускорителем ветрового потока
Архиважность этой проблемы в том, что ежегодно население планеты возрастает на 2 процента, а выработка энергии растет на 5 процентов, это означает, что пора искать другие источники электроэнергии.
Кроме того, ежегодно сжигаются до 2 млрд тонн угля, 1 млрд тонн нефти, в результате чего ухудшается экология земли, например, по различным источникам ежегодно в среднем в атмосфере планеты выбрасывается около 120 млн тонн золы, до 250 млн тонн газа и т.д. Эти выбросы - источники многих болезней. Загрязнение и уничтожение окружающей среды происходит и на гидроэлектростанциях, которые зачастую занимают большую площадь для создания искусственных водоемов, пишет д.т.н. РФ и PK, профессор КазНИТУ им. К.И. Сатпаева, кавалер ордена «Құрмет» Жумабай Байнатовв газете «Литер».
На Астанинском форуме профессор департамента «Энергетические системы будущего» при Делфтском техническом университета Ад ван Вейк в своем докладе отметил, что в течение ближайших 10-20 лет Казахстан будет использовать нефть как основной источник дохода, но в будущем дополнительным доходом страны может стать энергия, преобразованная от солнца или ветра.
В 2012 году в Париже Астана по результатам тайного голосования опередила бельгийский Льеж и стала хозяйкой для проведения ЭКСПО-2017.
На сегодняшний день изъявили желание активно участвовать в работе ЭКСПО-2017 103 государства и 17 международных организаций, эти цифры могут быть увеличены. Например, в 2010 r. в Шанхайской выставке участвовало 198 государств и 27 международных организаций.
В данное время все главные павильоны ЭКСПО-2017 построены и размещены первые комиссары пяти государств (Китай, Франция, Германия, Венгрия и Турция), от США будет принимать участие несколько международных организаций.
Замыслы американских архитекторов ЭКСПО-2017 полностью реализованы, основные объекты построены в форме казахской юрты.
Сегодня во всем мире уделяется особое внимание возобновляемым источникам энергии - ВИЭ. К ним относятся солнце, ветер, геотермальные источники, биотопливо, то есть энергия, которая считается неисчерпаемой. На данное время из ветра получают 19 процентов электроэнергии в Дании, 9% - в Испании, Португалии, 6% - в Германии и Ирландии, 1,5% - в Китае и т.д.
На форуме «Энергия будущего» (Астана, 2016г.) министр энергетики Казахстана Канат Бозумбаев привел такие данные: «Прирост возобновляемых видов энергии в общем объекте производства составит к 2020 году до 3 процентов и до 10 процентов к 2030 году с нынешнего показателя в 0,94 процента. В настоящее время в республике уже имеется 48 действующих объектов ВИЭ суммарной мощностью 252,37 МВт (гидроэлектростанции - 122,99; ветровые электростанции - 71,87; солнечные электростанции - 57,16; биогазовая установка - 0,35), которые вырабатывают 0,94 процента всей электроэнергии Казахстана». (По плану предполагалось довести показатель до 1,5% к 2015г.) Источниками возобновляемой энергии занимались еще на заре Советского Союза, например, над проблемами ветродвигателей работал ученый А.Уфимцев. Известно, что его проектами заинтересовался В.И.Ленин и оказывал необходимую поддержку.
Еще в 1931 году в Крыму, в Балаклаве, была построена первая в мире ветроэлектростанция диаметром лопастей колеса 30 м, асинхронный генератор развивал мощность 100 кВт. Действовала она больше 10 лет, пока не была разрушена во время войны. Построил станцию ученик H. E. Жуковского, известный ученый - ветроэнергетик Г.Х. Сабинин.
Она успешно развивалась и после войны. Известно, что к началу 60-х годов более 40 заводов делали ветряки. Их годовой выпуск составлял приблизительно 9 тыс. в год. Они были разной мощности, диаметр ветроколеса колебался от 3 до 8 м, доходил даже до 12 м. Мощность ветродвигателей с лопастями в 8 м была 54 кВт. Они действовали на Севере, на железнодорожных полустанках, но особенно много их было в сельской местности, где они поднимали воду. Каждый ветряк вырабатывает в год 8-10 тыс. кВт и экономит 2-3 т топлива.
В Казахстане существует более 10 географических мест, где можно разместить ветровые установки, т.к. в этих регионах средняя скорость ветра составляет от 5 до 8 м/с.
Если установить ветростанции на ветреных местах, то суммарно они будут вырабатывать порядка 920 миллиардов киловатт-часов электроэнергии в год, что в 10 раз больше, чем ежегодно потребляет весь Казахстан.
Согласно строительным нормам и правилам максимальное нормативное значение ветрового давления для территории Казахстана составляет кПа, что при плотности воздуха кг/м3 соответствует скорости ветра м/с (134 км/ч). Для сравнения: в средних широтах Евразии сильные ветровые потоки движутся с запада на восток со скоростью около 20 км/ч летом и 50 км/ч зимой. Это говорит о том, что в Казахстане эксплуатировать ВЭУ экономически выгодно.
В данное время строительство ветровой электростанции в Казахстане осуществляется в районе Джунгарских ворот Алматинской области в Шелекском коридоре Енбекши-Казахского района.
Джунгарские ворота, малонаселенный равнинный проход длиной около 80 и шириной до 15 километров, простирающийся от озера Жаланашколь до железнодорожной станции До-стык. Ветер в данном коридоре дует в основном только в двух направлениях попеременно, создавая эффект аэродинамической трубы. Этот коридор расположен между Тянь-Шанем, Памиром, Тибетом с юга и Становым хребтом, Монгольским Алтаем, хребтами Хантей с севера, концентрирует ветровые потоки Атлантического океана, Японского и Желтого морей.
Строительство крупной ВЭУ мощностью до 300 МВт начато в районе города Ерейментау Акмолинской области. Такое же строительство ведется на перевале Кордай, в Жанатасе, селе Шокпар Шуского района. Жамбыльской области. Такие ВЭУ могут быть построены в Южно-Казахстанской (Жүзімдік), Мангистауской (Тупкараганском, Каракиякском районах), Карагандинской, Атырауской областях.
Богатейшим источником ветровой энергии в области считается Кордайский перевал, и регион практично использует свой потенциал. Кордайская ВЭС является одним из первых проектов ветроэнергетики в Казахстане. В конце 2014 г. Глава государства запустил в действие Кордайскую ветроэлектростанцию. Сегодня на Кордайском перевале из 40 ветроустановок германского производства более или менее работают 7-8 установок.
Это очень плачевно, даже сами немцы убедились в неэффективности своих разработок и начали отказываться от эксплуатации таких ветровых машин, а заводы выпускают установки для стран третьего мира, которые недооценивают свои разработки в этой области и за большие деньги покупают устаревшее оборудование.
Импортные электроветроустановки по сравнениию с нашими разработками являются игрушками для взрослых. В Казахстане работают в основном два вида ветроустановок. Первый имеет высоту 54 метра, вес 74 тонны и мощность 0,75 МВт, второй имеет высоту 74 метра, вес около 150 тонн и мощность 2 МВт.
Ветродвигатели зарубежных фирм имеют ветроколесо с двумя и тремя лопастями диаметром от 16 до 20 м и больше.
Наиболее известный тип ветрогенераторов - горизонтальный. Такой ветряк имеет простую конструкцию, однако действует он только при достаточной силе ветра, из-за этого подобные механизмы подходят далеко не для всякой местности.
Приведенные размеры напрямую влияют на коэффициент полезного действия: чем больше диаметр ветро-колеса, тем больше коэффициенты.
Во многих районах Казахстана среднегодовая скорость составляет 2-4 м/с; 6-8 м/с в 10 географических местах, 10-14 м/с - в долине Джунгарских ворот. Ветер заставляет вращаться турбины, а те, в свою очередь, приводят в действие электрогенераторы, которые производят электричество. Расчет мощности, приведенный в научных статьях, дает такие характеристики. Цифры выходной мощности говорят сами за себя, но следует отметить, что 10-метровая турбина, работающая при скорости ветра 3 м/с, дает только 1/3 мощности 5-метровой турбины, работающей при скорости ветра 7 м/с. На скорость ветра большое влияние оказывает топография местности. Классические пропеллерные ВЭУ чрезвычайно сложны в эксплуатации, а при больших скоростях вообще выходят из строя. Наиболее значительных успехов в этих исследованиях достигли отечественные разработчики. Ими созданы ветроэнергетические установки - серьезные конкуренты пропеллерным. В отличие от последних они начинают выработку электроэнергии при малых скоростях ветра (от 3 м/с), могут выдержать любые ураганы и реализуют энергию обтекающего ветрового потока при любых его скоростях и независимо от направления ветра.
В Казахстане разработано несколько вариантов ветровых установок для выработки электроэнергии, например виндроторы - VRTB профессора А.В. Болотова, двухопорный турбинный генератор М.Камбарова, перевернутый пирамидообразный многоярусный вентилятор Т.Қонақбаева и др.
В настоящее время в республике эксплуатируется более 50 ветровых турбин системы VRTB разной мощности; эти же виндроторы снабжают энергией и питают маяки Северного морского пути, а также успешно работают в ряде регионов России.
Попытки использовать ветроэнергетические станции малайзийских, германских или японских производителей ни в долине Джунгарских ворот, ни в Чиликском коридоре к существенным успехам не привели.
В основном из-за их технического несоответствия казахстанским энергосетям и ветрам. Разработки же наших ученых приемлемы к местным условиям. Однако отечественная ветроэнергетика до сих пор не получила должного развития из-за отсутствия финансовых средств.
В конструкциях перечисленных авторов имеется ряд недостатков по надежности и энергоэффективности, кроме того при вращении лопастей турбины и ветроагрегатов создаются шум и вибрации из-за несимметричного расположения рабочих органов в конструкции.
Среди недостатков башенных ВЭУ основными являются их большая масса, значительная высота (50-70 м), делающие их уязвимыми к возможным землетрясениям и частым ураганным ветрам, наличие ненужных в условиях однонаправленных ветров систем поиска и разворота на ветер, ломкость пропеллеров при высоких скоростях ветра.
На кафедре «Строительство» Казахского Национального исследовательского технического университета им. К.И. Сатпаева разработаны два варианта ветровой электроустановки.
В первом варианте ветроустановка содержит два вертикально установленных ротора с наклонными лопастями и шарнирно соединенными на концы консоли верхних и нижних подвижных рычажных балок, жестко закрепленных к втулке центрального стержня со шкивом. Между роторами установлена перегородка со стрельчатой головкой, выполняющая роль разделителя и направляющего ветрового потока. Тылевая сторона лобовой стрелки перегородки закрывает по вертикали вторые половины роторов с лопастями от прямого действия ветрового напора, таким образом повышается скорость вращения роторов относительно своих осей в разные стороны друг от друга.
К нижним концам осевого стержня роторов жестко прикреплены шкивы для ременной передачи вращения роторов к центральному стержню со щкивом и присоединены к генератору через ременную передачу.
В целом все три шкива установлены на одном уровне и в одной плоскости. Они соединены между собой ремнем для создания общего вращательного движения, необходимого для генератора.
Генератор с ременной передачей, роторы и рычажные балки с перегородкой образуют рабочий блок, установленный между ярусными площадками ствола башни.
В целом рабочие механизмы одного блока ветроустановки совершают дважды вращения в зависимости от скорости и направления ветрового потока.
Первый раз поворачивается блок в целом, при помощи перегородки со стрелкой от действия ветра с целью установления господствующего направления ветрового потока, второй раз вращаются роторы от целенаправленного ветрового потока за счет разделительной стрелки и получают большие обороты для выработки электроэнергии через генератор. Технический результат достигается тем, что предлагаемая ветроустановка, содержащая два вертикальных ротора, подвешенных к рычажным балкам, вращается в разные стороны от целенаправленного ветра за счет стрелки лобовой части перегородки, которая одновременно закрывает по вертикали одну половину роторов от действия ветрового потока.
В целом ветровой поток, приходящийся на площадь фасада роторов, полностью перенаправляется на вторые половины площади роторов с лопастями. В результате скорость вращения роторов удваивается. Разнополюсные вращения роторов за счет ременной передачи приводят к вращению центрального шкива с ремнем от генератора.
К техническим результатам могут быть отнесены использование одновременно нескольких блоков ветроустановок, расположенных по высоте ствола башни. Кроме того, за счет разнонаправленного вращения роторов исключается кручение ствола башни, то есть ствол в основном работает на поперечный изгиб, что повышает прочность конструкции.
Ветроустановка работает следующим образом.
При взаимодействии ветрового потока с треугольной головкой перегородки происходит разделение ветрового потока на две струи, направленные на наклонно расположенные лопасти pоторов и имеющие выпуклые формы Два разнополюсных вращения роторов при помощи перекрещивающихся (только в одном пролете) ременных передач приводят к вращению центрального стержня со шкивом и ремнем от генератора. Вырабатываемая электроэнергия каждого блока через генераторы передается на общую электростан цию. Таким образом данная ветро-установка с несколькими рабочими блоками позволяет повысить коэффициент использования ветрового потока и обеспечить устойчивость ствола на прочность, а также снизить эксплуатационные затраты, т.к. предлагаемый комплекс (несколько рабочих блоков установки по высоте) заменяет несколько ветроустановок с горизонтальной осью вращения. Кроме того, уменьшается количество башни и занимаемая площадь земельного участка.
В натурном масштабе высота каждого ротора может составлять 8-9 метров, а диаметр 2-3 метра.
По высоте ствола башни могут быть установлены 4-5 рабочих блоков ветроустановки. Общая высота башни может составить 70-80 м, а диаметр 9-12 м.
Ствол башни выполнен трехстоечными соединенными между собой по ярусам трехлечевыми (триада) пластинками и площадкой.
Во втором варианте ветроэнергетической установки лопасти вращаются горизонтально (наподобие винтовых механизмов вертолета), причем соединены они спиралеобразным винтом, который тоже вращается от нагретого воздуха, поднимающегося снизу вдоль ствола башни, обшитой металлическим кожухом. Таким образом, лопасти ветроустановки вращаются от двух источников ветрового потока: горизонтального - через пятиконечные лопасти и вертикального - через спиралеобразные винты. Такое решение позволяет работать ветроустановкам и даже при безветренном режиме.
Опорный ствол состоит из двух слоев с воздушными прослойками для вытягивания воздуха с поверхности земли и подачи его на спиральные лопасти с целью увеличения вращательного движения пятилучевого диска. При этом наружная поверхность ствола имеет проемы снизу для набора воздуха. Она выполнена из металлического листа, покрашенного в черный цвет. Кроме того, сечение наружного слоя имеет уширения внизу и вверху. Это необходимо для обеспечения вращения диска при низком напоре воздуха.
При нагревании обшивки ствола солнечным лучом создается смещение воздуха снизу вверх, таким образом происходят дополнительные вращения диска, что повышает эффективность работы установки.
Природа самосмещения ветра такова. Ветер - это движение воздуха, вызываемое разностью давления в атмосфере. Чем больше разность давлений в двух областях, тем быстрее между ними движется воздух. Все перепады давления между различными точками земной поверхности прямо или косвенно связаны с перепадами температуры. Если в каком-то районе теплее, чем на окружающей его территории, воздух в нем нагревается и расширяется. Теплый воздух поднимается вверх, образуя внизу зону низкого давления, в которую начинает стекаться холодный воздух из соседних районов. Горизонтальный поток в направлении теплого района, образовавшийся на небольшой высоте, уравновешивается противоположным потоком поднявшегося воздуха, который охлаждается и опускается на место ушедшей массы воздуха. Так образуется ячейка конвекции, преобразующая температурные перепады в перепады давления и порождающая ветер.
Система с вертикальной осью вращения была выбрана из соображений меньшей стоимости и долговечности. Она действует независимо от направления ветра, в то время как машины с горизонтальной осью вращения требуют установки дорогостоящих датчиков и контрольной аппаратуры, обеспечивающих ее приспособления к скорости и направлению ветра. Вращение пятиконечных лопастей происходит за счет разности площадей и формы лопастей.
Площади приема лопастей воздушного потока на 50% больше, чем площади, которые создают эффект торможения. Кроме того формы лопастей, которые принимают воздушный поток, выполнены вогнутыми вовнутрь, а тыльная сторона лопастей в зоне торможения выполнена выпуклыми снаружи.
В предложенной конструкции ветроустановки все несущие элементы и вращательные рабочие механизмы расположены симметрично, в результате чего создается меньше шума и вибрации. Это благоприятно сказывается на долговечности работы установки в целом.
Для успешной реализации концепции перехода Казахстана к «зеленой» экономике необходимо подключить все общество, в том числе ученых, к разумному управлению природными ресурсами.