Энергоинформ / Точка зрения / Аэростатическая электроэнергетика
Аэростатическая электроэнергетика
В этой статье автором рассматривается принципиально новый вид электростанции, использующий только гравитационную энергию атмосферы.
Одному греческому философу принадлежит афоризм: «Наши недостатки суть продолжение наших достоинств». В полной мере это применимо к ветроэнергетике. Точнее не скажешь. И не надо говорить, надо от недостатка избавляться. Если ветра нет, но он нужен, — его надо создать. На это нужна энергия. Круг замыкается. Однако, отойдя от стереотипных подходов, решение находится, и выглядит оно удивительно просто, а главное — проверено веками!
Заглянем в хороший деревенский погреб. В любое время года в любую погоду в нём комфортная температура и всегда свежий воздух. Почему? С уровня наружной поверхности потолка погреба опущена вниз до его пола труба, а другая труба уходит из-под потолка наружу на некоторую высоту. В выходящей наружу трубе существует вполне ощутимый постоянно направленный вверх поток воздуха. Вызван он разностью давлений атмосферы на уровне пола погреба и верхнего среза выходящей трубы.
Согласно ГОСТ 4401-81 на Международную стандартную атмосферу, разность давлений составляет 1,22 кгс/см2 (то есть 11,98 Па) на 1 м приращения высоты, благодаря чему система разновысоких труб создаёт циркуляционный поток воздуха из атмосферы в погреб и из погреба в атмосферу. Помещённая в выходящую трубу вертушка будет вращаться. Наличие ветра снаружи не требуется. Вот и вся идея. Но нужна ещё и мощность.
Мир един в своих проявлениях, и если идея работает в «малом», то неизбежно будет работать и в «большом». И работает. В Турции в деревне Диренкую раскинулся на десятки километров по длине и до 90 м в глубину гигантский подземный город (построен в II-I тысячелетии до н. э.), состоящий из сети соединённых между собой туннелей и комнат. В них отличная естественная вентиляция, обеспечиваемая системой большого количества шахт малого диаметра и небольшого количества шахт большого диаметра, соединённых между собой воздуховедущими туннелями. Входы шахт большого диаметра расположены значительно ниже выходов шахт малого диаметра. Скорости воздушных потоков в воздуховодах таковы, что, находясь в них, невозможно устоять на ногах. Нетрудно себе представить, что если в такой воздуховод поместить ветроэлектростанцию (ВЭС), получим круглосуточную генерацию электроэнергии, не зависящую от капризов погоды. Таков принцип. Дальше начинается инженерная разработка.
На рис. 1 представлена схема соответствующей принципу электростанции в варианте электроснабжения жилого дома. Назовём её «аэроэлектростанция» (АЭЭС).
И прежде всего возникает вопрос о величине её возможной мощности, которая определяется формулой N = FV, где F — сила воздействия атмосферы на массу воздуха в воздуховоде; V — скорость воздушного потока в зоне размещения ветроэлектростанции.
В силу ряда соображений электрическую часть АЭЭС целесообразно выполнить в виде группы ВЭС, последовательно установленных в горизонтальной части воздуховода. Для простоты рассуждений допустим одинаковость площадей S2 сечения горизонтальной и вертикальной частей воздуховода, площадь сечения входа S1 примем большей, тогда:
где p — атмосферное давление на входе воздуховода; δ — приращение атмосферного давления на 1 м высоты; h — высота вертикальной части воздуховода.
Из совместного решения уравнения расхода и уравнения Бернулли для воздуховода получаем выражение скорости потока в зоне размещения ВЭС
где ρ — плотность воздуха. Для получения представления о порядке величин положим S1 = 20 м2, S2 = 10 м2, ρ = 1,225 кг/м3, р = 1 кгс/см2, h = 50 м, δ = 1,23 кгс/м3, отсюда получим V = 36 м/с, N = 35280 кВт.
Эту мощность надо рационально использовать. Но как? Из опыта продувок ВЭС вращательного типа в аэродинамических трубах известно, что для нормальной работы помещённой в трубу ВЭС её ометаемая поверхность должна быть не более 15% площади сечения трубы (то есть горизонтального воздуховода), а это 1,5 м2. Диаметр рабочего колеса ВЭС — 1,4 м.
По формуле мощности вращательной ВЭС Nв = 0,29 Sв V3 получим Nв = 20,3 кВт. Неплохо, но возможно и больше. Для этого в горизонтальном воздуховоде необходимо разместить ветроэлектростанцию принципиально нового типа (ВЭСК) — с преобразователем кинетической энергии воздушного потока в виде «решётчатого крыла», совершающего возвратно-поступательное движение в плоскости поперечного сечения воздуховода.
На рис. 2 представлена кинематическая схема ВЭСК. Здесь 1 — группа аэродинамических пластин с аэродинамическими профилями сечения (далее — планы), установленных со свободой поворота вокруг своих продольных осей в подвижной раме 2 (далее — импеллер).
Импеллер опирается на корпус 3 через линейные кинематические пары, обеспечивающие ему возможность движения в плоскости корпуса. Планы 1 соединены между собой кинематической связью 4, которая обеспечивает их синхронные повороты на одинаковые углы относительно рамы импеллера, подвешенного в резонансном подвесе 5 и кинематически соединённого с электрогенератором 6.
Изменение углов атаки планов осуществляется механизмом 7. Амплитуда колебаний импеллера ограничивается демпферами 8. Представленная кинематика ВЭСК защищена патентом РФ № 2338923. О наличии действующих мировых аналогов неизвестно.
Электрическая мощность ВЭСК определяется значением крутящего момента, который импеллер может сообщить электрогенератору, и выражается формулой
М = Fl, (1)
где F — аэродинамическая сила, развиваемая импеллером при обдувании его ветровым потоком; l — плечо приложения силы, равное половине рабочего хода импеллера.
В свою очередь:
где n — количество планов в импеллере; Су — коэффициент аэродинамической подъёмной силы; S — площадь плана; V — скорость воздушного потока.
ВЭСК в силу особенностей аэродинамики импеллера может без ущерба для мощности полностью занимать сечение воздуховода. При площади сечения воздуховода 10 м2 целесообразно иметь габаритные размеры ВЭСК 4 X 2,5 м, размеры импеллера 3 X 2,2 м, ход импеллера — 1 м. При принятых размерах ВЭСК в импеллере могут размещаться 12 планов площадью 0,88 м каждый. Расчёт по формулам (1) и (2) даёт значение крутящего момента 4187,4 Н-м, что теоретически достаточно для привода, например, 285 электрогенераторов ВГ-1(12)450 с суммарной электрической мощностью 285 кВт. Как их разместить — другой вопрос. Сейчас мы оцениваем потенциальную мощность. Она оказывается в 14 раз выше, чем при использовании ВЭС вращательного типа.
Экспериментально установлено, что с импеллера сходит вдоль продольной оси воздуховода ламинарный поток.
Поэтому без проблем можно устанавливать в горизонтальном воздуховоде последовательно нужное количество ВЭСК с промежутком между ними в половину длины ВЭСК, исходя только из соображения ремонтопригодности, получая их суммарную мощность. Например, при длине горизонтальной части воздуховода 200 м получим приблизительно 10,83 МВт. Годовая выработка электроэнергии составит 94870,8 МВтч. Данное техническое решение защищено патентом РФ № 2500920.
Приведённый расчёт имеет исключительно демонстрационный характер. Варьируя параметры, как воздуховода, так и ВЭСК, можно получать нужное конструкционное исполнение, нужную мощность, схему размещения и т.д. Например, горизонтальную часть воздуховода можно разместить в подземном туннеле, а вертикальную внутри здания подобно шахте лифта. В этом состоит ещё одно из важнейших достоинств АЭЭС — её можно размещать непосредственно у потребителя, исключая протяжённые линии электропередач. Таким образом, мы получаем инвариантную по отношению к погодным условиям и местам размещения ветроэнергетику. Да и ветроэнергетика ли это? Может быть, надо ввести новый термин, например, «аэростатическая энергетика»?
Остается ответить на вопрос «Какая же энергия используется для генерации электроэнергии в АЭЭС?» В терминологии нового направлении в науке — часть «энергии окружающей среды», а именно — гравитационная энергия атмосферы. Энергия эта неисчерпаема и её можно получать без больших материальных затрат, так что энергетический голод человечеству не грозит ни в какой перспективе. Похоже на сказку? Но в недавнем прошлом нашей страны оптимистично пели «Мы рождены, чтоб сказку сделать былью...» И это много раз удавалось. В заключение можно повторить фразу президента Ф.Д. Рузвельта, положившую начало разработке атомной бомбы: «Это требует действий».
Источник: СОК / автор В.П. Савостьянов
