Проблема повышения эффективности преобразования энергии ветра и экологической безопасности ветряных установок является в настоящее время весьма актуальной. Особенно с учетом мировых тенденций роста доли ветроэнергетики в производстве электроэнергии [4, 6].
Цель исследования. Целью работы является аналитическое обоснование повышения эффективности преобразования энергии ветра предлагаемой технологией по сравнению с традиционными ветроэнергетическими установками.
Материалы и методы исследования
Традиционные ветродвигатели с горизонтальной и вертикальной осью вращения имеют ограничения по эффективности использования энергии ветра, которая в соответствии с известным законом Беца не может быть больше 59,3 % [1]. Этот закон выведен из условия, что скорость ветра после взаимодействия с лопастями ветродвигателя должна иметь некоторую скорость для выхода из взаимодействия, то есть обладать остаточной кинетической энергией движения. Разность начальной кинетической энергии ветра и конечной, которой обладают выходящие массы воздуха, составляет кинетическую энергию вращения ротора ветродвигателя.
Традиционная технология основана на том, что ветер воздействует на разнообразной конструкции лопасти и раскручивает их, отдавая им только часть своей кинетической энергии. При этом наращивание мощности ветряных станций требует увеличение габаритов ветродвигателей. Таким образом, любые модернизации традиционных ветродвигателей имеют верхний предел эффективности и к существенному повышению эффективности преобразования кинетической энергии ветра не приведут.
В последнее время ведутся интенсивные исследования и разработки ветряных установок циклонного (вихревого) типа, в которых создаются искусственные вихревые образования воздушных масс вращающих турбину [4].
Система со свободными вихрями, в которой для закручивания потока ветра и образования вихря устанавливалось ветроколесо. По оценкам Нью-Йоркского политехнического института и университета штата Виргиния, эта система может развивать мощность в 7 раз большую, чем традиционный ветродвигатель тех же размеров. В ограниченной вихревой системе ветряной станции, разработанной фирмой «Grumman Aerospace Corporation», вихрь создается в специальной башне, которая установлена в кольце над осевой турбиной. Вихрь обеспечивает разряжение над турбиной и увеличение скорости потока воздуха [6].
Американской фирмой Sheerwind разработан ветряк INVELOX, который отличается необычным дизайном и представляет собой изогнутую трубу переменного сечения, которая эффективно утилизирует энергию ветра. Конструкция ветряка INVELOX – это набор заборников воздуха, которые захватывают ветер и через сужающуюся трубу подводят воздушный поток к лопастям турбины электрогенератора [5].
Высокая эффективность преобразования энергии ветра в вихревых станциях и в ветряке INVELOX достигается за счет искусственного увеличения кинетической энергии потока ветра перед подачей её на лопасти турбины.
Результаты исследования и их обсуждение
Лабораторией инновационных технологий при институте прикладной физики и математики КазНПУ им.Абая разработана новая технологическая концепция ветряных станций, которая основана на комплексном использовании вихревого и инерционного эффектов для преобразовании энергии ветра. В настоящее время проводится работы по изготовлению опытного образца и международное патентование технологии.
Сущность новой технологии заключается в том, что потоки ветра сначала попадают в специальные воздухосборники и далее по пространственным системам конфузоров, где воздушные массы ускоряются и изменяют суммарный момент инерции и подаются в специальной конструкции воздушную турбину. В последней происходит преобразование кинетической энергии потока воздуха в механическое вращение ротора турбины. Механическое вращение передается через инерционный передаточный механизм генератору тока или теплогенератору. Особенность инерционного передаточного механизма в том, что в нем для создания дополнительного крутящего момента используются центробежные силы инерции. Последние создаются за счет изменения суммарного момента инерции вращающихся элементов инерционного передаточного механизма. Что приводит к компенсации потерь на трение в передаточном механизме и тем самым повышения эффективности преобразования энергии.
Для обоснования преимуществ новой технологии проведем теоретический анализ принципов использования кинетической энергии ветра в сравнении с традиционной технологией.
Кинетическая энергия ветра определенной площади по известной зависимости запишется в виде
, (1)
где r – плотность воздуха; t – время; S – площадь, охватываемая вращающимся ротором; v – скорость ветра.
Из выражения (1) мощность традиционного ветродвигателя с охватываемой ротором площадью S можно записать в следующем виде
, (2)
где h – коэффициент использования энергии ветра, который для лучших современных ветряных станций традиционного типа равен 0,4 – 0,5 при теоретическом предельном значении h=0,593.
При осуществлении новых технологий, когда используется воздуховод в виде системы конфузоров и турбина устанавливается на выходе из них, скорость потока воздуха на входе в ветротурбину увеличится пропорционально степени сужения и, в соответствии с законом сохранения количества движения, запишется в виде
, (3)
где v2 – скорость потока на выходе из конфузора; S и S2 – соответственно площади входного и выходного отверстия конфузора; ρ2 – плотность воздуха на выходе из конфузора; v – скорость ветра на входе в конфузор.
Кинетическая энергия ветра на входе в конфузор рассчитывается по формуле (1), а на выходе из него запишется соответственно в виде
. (4)
Подставив выражение (3) в (4) и учитывая (1) получим
. (5)
Мощность ветротурбины, эффективности преобразования энергии которой такая же как и у традиционного ветродвигателя, установленной после конфузора запишется в виде
. (6)
Выражение в скобках формул (5) и (6) показывает степень возрастания кинетической энергии и мощности потока воздуха на выходе из конфузора по отношению к традиционному способу преобразования энергии ветра, когда используется энергия ветра, соответствующая энергии на входе в конфузор.
Для конфузора круглого сечения зависимость (5) запишется в виде
, (7)
где R и r – радиусы соответственно входной и выходной полости конфузора.
Следует отметить, что течение в конфузоре сопровождается постепенным увеличением скорости и одновременным снижением давления. Потери на трение в конфузоре могут быть определены по известным зависимостям.
Новая технология также предусматривает создание вихревых потоков воздуха в специальных воздуховодах. Природными аналогами этих технологических приемов являются смерчи и торнадо, механизм концентрации кинетической энергии в которых в упрощенной форме представлен в работах [2, 3].
Предложенная и запатентованная комплексная технология преобразования энергии ветра имеет принципиальные отличия от американских аналогов [4, 6].
Заключение
Для проведения экспериментальных исследований новой технологии и оптимизации технологических параметров преобразования энергии ветра разрабатывается конструкторская документация для изготовления опытного образца ветростанции, результаты экспериментальных исследований которой будут представлены в следующем работе.
Работа выполнена в рамках гранта Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан (номер госрегистрации 0113РК00415).