Ветроэнергетика. Достоинства и недостатки ВЭУ

Ветроэнергетика. Достоинства и недостатки ветроэнергетических установок (ВЭУ)

На первый взгляд ветер кажется самым доступным из возобновляемых источников энергии. В самом деле: не в пример Солнцу, он вполне "работоспособен" на юге и на севере, зимой и летом, днем и ночью, в дождь и туман. Однако на этом все достоинства и кончаются; дальше, увы, - сплошные недостатки... Прежде всего, это очень рассеянный энергоресурс. Природа не собрала ветры в каких-то отдельных "месторождениях", подобно горючим ископаемым. И не пустила их течь по руслам, подобно рекам. Всякая движущаяся воздушная масса "размазана" по огромной территории. Правда, рассеянность, малая концентрация характерна и для солнечной энергии. Но с ветром еще хуже. Его основные параметры - скорость и направление - меняются гораздо быстрее, в более широких пределах и совершенно непредсказуемо. В итоге по надежности он почти везде уступает Солнцу. Отсюда и вытекают две главные проблемы проектирования ветроэнергетических установок (ВЭУ).

Во-первых, с учетом рассеянности ветра стремятся "снимать" его кинетическую энергию с максимальной площади. Что имеется в виду? Для ВЭУ обычной конструкции (ветровое колесо на горизонтальной оси) - это площадь круга, который описывают лопасти при вращении; у специалистов она называется сметаемой площадью. Отсюда вроде бы следует, что диаметр колеса (длину лопастей) надо всячески наращивать. И действительно: известны проекты гигантских ВЭУ с диаметром ветроколеса до 120 м. Но для таких габаритов сильные ветры, в принципе более "выгодные", становятся уже нежелательными - из соображений безопасной эксплуатации. К тому же, рассчитывая прочность, тут приходится дополнительно страховаться даже от маловероятных ураганных порывов и тем еще больше утяжелять громоздкую конструкцию. Путь явно тупиковый.

Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока на лопастях. Ведь в конечном счете качество электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, определяется именно стабильностью момента вращения и угловой скорости на валу ее генератора. Но если предыдущая проблема решается хотя бы до известного предела, то эта пока не решается никак.

Общий вывод, видимо, ясен: нужна установка принципиально новой конструкции. Нащупать подходы к ней помогут несложные математические изыскания. Посмотрим, от каких основных параметров зависит энергетическая эффективность ВЭУ.

Как известно, кинетическая энергия движущегося тела:

W = mV²/2.

Если речь идет о воздушном потоке, то V, естественно, и есть его скорость. С массой m чуть сложнее. В данном случае берется масса объема воздуха, проходящего через ОП в единицу времени. Значит,

m = pSV,

где р - плотность воздуха, S - ОП, V - та же скорость ветра. И тогда исходное выражение принимает вид

W = рSV³/2.

Это величина энергии в единицу времени, по сути - мощность. Итак, значение W определяется двумя переменными - S и V. Как в принципе можно ее увеличить? Если за счет S, то прийдется смириться с неизбежным ростом габаритов и массы ВЭУ (см. выше).

Но из полученной формулы виден и другой порок такого "лобовного" подхода: ОТ связана с площадью 3 прямо пропорционально, линейно. Зато влияние скорости V гораздо сильнее - зависимость тут уже кубическая. Насколько важна эта разница, поясним на примере.

Допустим, нам удалось каким-то путем удвоить величину V. Понятно, что мощность воздушного потока на лопастях возрастет в 8 раз. И если теперь мы решим сохранить прежнюю мощность установки, то сможем соответственно уменьшить ОП ветрового колеса. Тогда его диаметр (то есть, в первом приближении, и остальные линейные размеры ВЭУ) сократился бы в корень кубический из 8 = 2,83 раза. Если же сумеем увеличить V втрое, выиграем в габаритах более чем в 5 раз (корень кубический из 27), и т.д.

Что ж, ускорить ветер в принципе нетрудно: нужно загнать его в некое подобие аэродинамической трубы, попросту говоря - в сужающийся канал. В нем, как известно, скорость потока растет обратно пропорционально площади сечения. А общий коэффициент ускорения равен отношению площадей входного и выходного отверстий. Даже для обычных ВЭУ уже разработаны подобные устройства - так называемые конфузоры, или дефлекторы. Смысл их применения в том, что они собирают ветер с гораздо большей площади, чем ОП.

Но почему, ступив на верный путь, конструкторы не пошли по нему дальше? Сделаем входное сечение конфузара переменным - и сразу решим ту, "нерешаемую", проблему - поддержания постоянной скорости потока на лопастях независимо от капризов ветра! Проще всего тут применить поворотное воздухозаборное устройство (ВУ). Легко понять, что его эффективное сечение максимально в направлении "фордевинд" и уменьшается при отклонении в любую сторону. Причем такое ВУ способно ловить ветер со всех румбов, и потому остальные элементы можно сделать неподвижными, да и смонтировать прямо на земле, что гораздо удобнее.

Цифрами обозначены:
1 - направление ветра; 2 - воздухозаборное устройство;
3 - входные воздуховоды; 4 - конфузор;
5 - серводвигатель поворота; 6 - поворотный круг;
7 - диаметр ВУ; 8 - устройство сброса;
9 - отводящие воздуховоды; 10 -диффузор;
11 - рабочий канал; 12 - электрогенератор,
13 - турбина.

Так родилась у автора конструкция установки, изображенная на схеме (патент РФ М9 1783-144). Главное ее отличие - мощный "ветроускоритель": ряд воздуховодов с полноповоротными ВУ на концах, сходящихся в общий конфузор и далее в рабочий канал. Каких же скоростей достигает там воздушный поток? Ясно, что это зависит от отношения двух величин: суммарного эффективного сечения всех ВУ на входе и сечения рабочего канала - на выходе. Пусть диаметр одного ВУ всего втрое превышает диаметр канала, а площадь соответственно - в девять раз. Тогда, скажем, при пяти ВУ общий коэффициент ускорения равен 45. Правда, мы не учли турбулизацию воздушных потоков в системе и ее общее аэродинамическое сопротивление, но для первичной оценки такой расчет правомерен. А это значит, что самый обычный, умеренный ветер (5 м/с) порождает в канале сверхураган в 225 м/с! Напомним, что по шкале Бофорта ураганным считается ветер с жалкой скоростью - 12 м/с...

Выходит, обычное ветровое колесо тут уже не годится: его лопасти просто не выдержат такого напора. Нужна настоящая турбина, с лопатками иной формы, гораздо меньшего размаха и более прочными - короче, типа авиационной. Кстати, подобное устройство намного эффективнее использует аэродинамическую энергию воздушного потока. А здесь к тому же он ограничен стенками рабочего канала, сечение которого почти полностью перекрыто лопатками. В результате общий КПД установки должен заметно возрасти по сравнению с обычной, горизонтально-осевой.

Не забудем только, что аэродинамический поток, вырвавшийся из турбинного канала, надо снова затормозить. Эту обратную задачу выполняет система, зеркально отображающая входную: диффузор ("расширитель") и воздуховоды с устройствами сброса (УС) на концах. Конструкции ВУ и УС опять-таки одинаковы. Единственное отличие - диаметры элементов отводящей системы должны быть больше, чем у их входных аналогов, чтобы обеспечить эффективный перепад давлений.

Скорость потока в турбинном канале регулируется простым вращением ВУ. При слабом ветре воздухозаборники ориентируются "лицом" к нему, а по мере усиления все больше отворачиваются, если это нужно. Устройства сброса, естественно, всегда направлены "спиной" к ветру. Координируют работу всех ВУ и УС микропроцессорные блоки контроля и управления их электроприводами, датчик направления ветра и центральный процессор с зашитой в нем программой. Режим регулирования вполне может быть не плавным, а дискретным, прорывным, что упростит систему управления.

Пожалуй, описанная ВЭУ в целом кажется отнюдь не дешевой. Есть ли смысл городить все эти громоздкие воздуховоды? Что ж, полученная нами формула мощности W позволяет сравнить абсолютные энергетические показатели старого и нового вариантов. Зададимся плотностью воздуха на уровне моря р = 1,2 кг/куб.м и скоростью ветра V = 5 м/с.

Для первого варианта возьмем предельный диаметр ветрового колеса - 120 м, что дает площадь 3 (ОП) чуть больше 11 000 кв.м. Подставив эти данные в формулу, получим мощность ветрового потока всего 0,8 МВт.

Для новой ВЭУ используем нашу оценку скорости V в рабочем канале (около 200 м/с) и зададимся скромной величиной ОП турбины - 10 кв.м. Аналогичный показатель составит 48 МВт! Энергетическое преимущество настолько явное, что дополнительные затраты (если они вообще понадобятся) должны окупиться.

Разумеется, в обоих вариантах, с учетом различных потерь, электрогенераторы утилизуют далеко не всю аэродинамическую мощность. Но и здесь, как мы убедились, новая ВЭУ должна иметь преимущество - более высокий КПД.

Как показывают простейшие расчеты, стоит поставить несколько лишних ВУ да немного увеличить их диаметр - и мы быстро подойдем к пределу возможностей даже авиационных турбин. То есть данное условие само по себе определяет число и размеры ВУ проектируемой установки вряд ли больше 10. Правда, тут важен и еще один фактор - среднегодовая скорость ветра в данном районе, его, так сказать, ветрообеспеченность. Если этот показатель меньше тех же 5 м/с, то для стабильной работы генератора может понадобиться и более 10 воздуховодов. Чтобы оценить целесообразность такого решения, понадобятся, конечно, детальные исследования и расчеты, в том числе экономические. Но даже приближенные оценки говорят, что подумать есть над чем