Вихревая ветрoэнергетичеcкая уcтанoвка -- принципиальнo нoвая cиcтема преoбразoвания энергии ветра, кoтoрая равнoмерный вoздушный пoтoк превращает в вихревые cтруи, являющиеcя кoнцентратoрами мoщнocти, oрганизующими и аккумулирующими раcпределенную кинетичеcкую энергию ветра. Такие уcтанoвки рабoтают на территoрии Казахcтана.
Перcпективы иcпользования ветроэнергетики определяютcя наличием cоответcтвующих ветроэнергетичеcких реcурcов. Казахстан исключительно богат ветровыми ресурсами. Примерно на 50% его территории среднегодовая скорость ветра 4-5 м/с, а в ряде районов – 6 м/с и более, что предопределяет очень хорошие перспективы для использования ветроэнергетики.
По оценкам экспертов, Казахстан – одно из государств мира с наиболее подходящими условиями для развития ветроэнергетики. Ветреные места расположены в Прикаспии, в центре и на севере, на юге и юго-востоке страны (приложение 1). Учитывая плотность мощности ВЭС на уровне 10 МВт/км² и значительные свободные пространства, можно предполагать возможность установки в Казахстане нескольких тысяч МВт мощности ВЭС. Теоретический ветропотенциал перспективных мест государства составляет около 1 820 млрд. кВт•ч/год, а для его точной оценки необходимы специальные метеоисследования с использованием метеомачт высотой 30--80 м в течение как минимум одного года. Полученные данные применяются для расчета годовой выработки электроэнергии ветроустановками. Результаты расчетов необходимы для подготовки технико-экономического обоснования строительства ВЭС на двух площадках в Алма-атинской области - Джунгарские ворота и Шелекский коридор.
Сегодня в Казахстане работают разные вихревые ветроэнергетические установки, принцип действия которых изложен далее в этой статье.
Как выглядит типовая ветроэнергетическая установка, представляют себе практически все. Однако фантазии изобретателей предела нет. Ученые многих стран постоянно задаются вопросом, как усовершенствовать ветряк, улучшить его рабочие качества, увеличить кпд. Не секрет, что он имеет ряд нареканий со стороны экологов. И вот уже сегодняшние изобретения начинают теснить обычный лопастный ветряк с лидирующих позиций на второстепенные. Особое место среди них занимают разработки в вихревой ветроэнергетике, позволяющие значительно снижать уровень шума и не наносить урон популяциям птиц. Началось создание нового класса ветроэнергетических установок, использующих энергию вихревых воздушных потоков; отличающихся повышенной (на 20--25%) эффективностью, более низким уровнем шума и вибрацией; а также концентрацией ветровой энергии; способных ликвидировать помехи для телекоммуникаций. Ветроколеса в них заменены воздушными турбинами, работающими внутри корпуса башни.
Вихревая ветроэнергетическая установка (ВВУ), разработанная российскими конструкторами, -- принципиально новая система преобразования энергии ветра, которая превращает равномерный воздушный поток в вихревые струи, являющиеся концентраторами мощности, организующими и аккумулирующими распределенную кинетическую энергию ветра.
Воздушная турбина, работающая на вихревом потоке, приводит в действие низкооборотный электрогенератор. Вихревая установка вырабатывает электроэнергию для электрификации автономных объектов в отдаленных и труднодоступных регионах страны.
Основными преи
муществами вихревой установки, по сравнению с традиционными лопастными ветроэнергетическими установками, являются экологическая чистота и повышенная эффективность использования низких скоростей ветра.
Потребность страны в таких установках превышает 10 тыс. комплексов, что при круглогодичном использовании позволит экономить 0,8--1,2 т жидкого топлива на 1 кВт установленной мощности или 100 тыс. т горючего в год.
За счет повышения эффективности вихревых ветроэнергетических установок и увеличения выработки электроэнергии при круглогодичной эксплуатации срок окупаемости проекта составит, предположительно, 3--4 года.
Изобретение относится к электроэнергетике, в частности, к вихревым ветроэнергетическим установкам, снабженным направляющими конфузорными каналами. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия (кпд) установки и обеспечении формирования стойкого вихревого потока без его срывов за счет образования на выходных отверстиях в зоне формирования вихревого потока плотного и ламинарного течения.
В основе изобретения -- создание эффективной вихревой ветроэнергетической установки путем обеспечения в выходных отверстиях каждого направляющего конфузорного канала ламинарного потока для формирования стойкого вихревого потока, без его срывов, что, в свою очередь, позволит повысить энергию данного потока и кпд установки. Кроме того, обеспечивается повышение захватывания объема ветрового потока, снижается возможность запирания его по высоте в зоне формирования вихревого потока без его срывов.
Поставленная задача решается тем, что ВВУ содержит расположенное вверху в трубе, по крайней мере, одно ветроколесо, кинематически соединенное с преобразователем энергии в виде генератора; под трубой -- первый ярус направляющих конфузорных каналов, которые расположены винтообразно вдоль вертикальной оси, а вокруг нее - по криволинейным поверхностям внешней и внутренней сторон каждого направляющего конфузорного канала. При этом суженные в плане сечения направляющих конфузорных каналов являются выходными отверстиями, которые образуют вокруг вертикальной оси зону формирования вихревого потока, а широкие в плане сечения направляющих конфузорных каналов -- входными отверстиями ветрового потока. В установке криволинейные поверхности внешней и внутренней сторон каждого направляющего конфузорного канала вокруг вертикальной оси выполнены спиралеподобно. Кроме того, относительно горизонтальной плоскости угол данных каналов вдоль вертикальной оси увеличивается в ярусе от одного направляющего конфузорного канала ко второму вокруг вертикальной оси. Каждый канал в вертикальной плоскости выполнен суженным от входного отверстия к выходному. При этом спиралеподобная часть в области входных отверстий плавно переходит в радиальную часть. А радиальная часть внешней стороны каждого канала выполнена с возможностью ее дополнительного регулируемого радиального увеличения. Кроме того, на внутренней поверхности спиралеподобной внешней стороны каждого направляющего конфузорного канала,
вдоль ветрового потока, расположены пластины обтекаемой формы, высота которых от нуля плавно увеличивается в направлении зоны формирования вихревого потока. Внутреннее сечение каждого канала выполнено со скругленными углами. А в суженном в плане сечении каждого направляющего конфузорного канала расположена регулируемая заслонка для обеспечения возможности перекрытия этого сечения. Кроме того, установка содержит, соосно с первым ярусом направляющих конфузорных каналов, по крайней мере, второй ярус направляющих конфузорных каналов. Все ярусы направляющих конфузорных каналов выполнены в виде срезанного конуса, верхняя и нижняя поверхности которого имеют форму кольца также срезанного конуса. При этом нижняя большая поверхность верхнего яруса направляющих конфузорных каналов соединена с меньшей верхней поверхностью нижнего яруса направляющих конфузорных каналов. Зона формирования вихревого потока выполнена суженой от низа установки к ее верху. Относительно горизонтальной плоскости угол винтообразно расположенных направляющих конфузорных каналов вдоль вертикальной оси увеличивается от одного яруса ко второму вверх. В ярусах данных каналов снизу вверх количество направляющих конфузорных каналов уменьшается. Вверху трубы расположен раструб с рассекателями вихревого потока. Кроме того, направляющие конфузорные каналы расположены спиралеподобно вокруг вертикальной оси против хода часовой стрелки в северном полушарии Земли или по ходу часовой стрелки в южном полушарии. При этом, относительно горизонтальной плоскости, угол винтообразно расположенных направляющих конфузорных каналов вдоль вертикальной оси увеличивается в каждом ярусе от одного направляющего конфузорного канала ко второму, а также от одного яруса ко второму вверх против хода часовой стрелки в северном полушарии Земли или по ходу часовой стрелки в южном полушарии Земли.
В наших следующих публикациях мы продолжим знакомить читателей с новейшими разработками в ветроэнергетике, в частности в ВВУ.
Предпочтительный вариант вихревой ветроэнергетической установки выполнен в виде многоярусной установки пирамидоподобной формы. Например, семиярусной, содержащей расположенную вверху вертикальную трубу, в середине которой на вертикальной оси находится ветроколесо, кинематически соединенное с преобразователем энергии, соосно с трубой и ветроколесом. Под ними на фундаменте расположены ярусы с зоной формирования вихревого потока в виде рабочего кольца. В качестве ветроколеса применены несколько турбин, которые расположены одна над одной на вертикальной оси.
В качестве преобразователя энергии, в предпочтительном варианте использован мощный электрогенератор с маховиком. В другом варианте может быть применен преобразователь механической энергии вращения ветроколеса в тепловую энергию.
Ветропотенциал Казахcтана
Перcпективы иcпользования ветроэнергетики определяютcя наличием cоответcтвующих ветроэнергетичеcких реcурcов. Казахстан исключительно богат ветровыми ресурсами. Примерно на 50% его территории среднегодовая скорость ветра 4-5 м/с, а в ряде районов – 6 м/с и более, что предопределяет очень хорошие перспективы для использования ветроэнергетики.
По оценкам экспертов, Казахстан – одно из государств мира с наиболее подходящими условиями для развития ветроэнергетики. Ветреные места расположены в Прикаспии, в центре и на севере, на юге и юго-востоке страны (приложение 1). Учитывая плотность мощности ВЭС на уровне 10 МВт/км² и значительные свободные пространства, можно предполагать возможность установки в Казахстане нескольких тысяч МВт мощности ВЭС. Теоретический ветропотенциал перспективных мест государства составляет около 1 820 млрд. кВт•ч/год, а для его точной оценки необходимы специальные метеоисследования с использованием метеомачт высотой 30--80 м в течение как минимум одного года. Полученные данные применяются для расчета годовой выработки электроэнергии ветроустановками. Результаты расчетов необходимы для подготовки технико-экономического обоснования строительства ВЭС на двух площадках в Алма-атинской области - Джунгарские ворота и Шелекский коридор.
Сегодня в Казахстане работают разные вихревые ветроэнергетические установки, принцип действия которых изложен далее в этой статье.
Новое в управлении ветром
Как выглядит типовая ветроэнергетическая установка, представляют себе практически все. Однако фантазии изобретателей предела нет. Ученые многих стран постоянно задаются вопросом, как усовершенствовать ветряк, улучшить его рабочие качества, увеличить кпд. Не секрет, что он имеет ряд нареканий со стороны экологов. И вот уже сегодняшние изобретения начинают теснить обычный лопастный ветряк с лидирующих позиций на второстепенные. Особое место среди них занимают разработки в вихревой ветроэнергетике, позволяющие значительно снижать уровень шума и не наносить урон популяциям птиц. Началось создание нового класса ветроэнергетических установок, использующих энергию вихревых воздушных потоков; отличающихся повышенной (на 20--25%) эффективностью, более низким уровнем шума и вибрацией; а также концентрацией ветровой энергии; способных ликвидировать помехи для телекоммуникаций. Ветроколеса в них заменены воздушными турбинами, работающими внутри корпуса башни.
ВВУ на низких скоростях
Вихревая ветроэнергетическая установка (ВВУ), разработанная российскими конструкторами, -- принципиально новая система преобразования энергии ветра, которая превращает равномерный воздушный поток в вихревые струи, являющиеся концентраторами мощности, организующими и аккумулирующими распределенную кинетическую энергию ветра.
Воздушная турбина, работающая на вихревом потоке, приводит в действие низкооборотный электрогенератор. Вихревая установка вырабатывает электроэнергию для электрификации автономных объектов в отдаленных и труднодоступных регионах страны.
Основными преи
муществами вихревой установки, по сравнению с традиционными лопастными ветроэнергетическими установками, являются экологическая чистота и повышенная эффективность использования низких скоростей ветра.
Потребность страны в таких установках превышает 10 тыс. комплексов, что при круглогодичном использовании позволит экономить 0,8--1,2 т жидкого топлива на 1 кВт установленной мощности или 100 тыс. т горючего в год.
За счет повышения эффективности вихревых ветроэнергетических установок и увеличения выработки электроэнергии при круглогодичной эксплуатации срок окупаемости проекта составит, предположительно, 3--4 года.
ВВУ «Ялынка»
Изобретение относится к электроэнергетике, в частности, к вихревым ветроэнергетическим установкам, снабженным направляющими конфузорными каналами. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия (кпд) установки и обеспечении формирования стойкого вихревого потока без его срывов за счет образования на выходных отверстиях в зоне формирования вихревого потока плотного и ламинарного течения.
В основе изобретения -- создание эффективной вихревой ветроэнергетической установки путем обеспечения в выходных отверстиях каждого направляющего конфузорного канала ламинарного потока для формирования стойкого вихревого потока, без его срывов, что, в свою очередь, позволит повысить энергию данного потока и кпд установки. Кроме того, обеспечивается повышение захватывания объема ветрового потока, снижается возможность запирания его по высоте в зоне формирования вихревого потока без его срывов.
Поставленная задача решается тем, что ВВУ содержит расположенное вверху в трубе, по крайней мере, одно ветроколесо, кинематически соединенное с преобразователем энергии в виде генератора; под трубой -- первый ярус направляющих конфузорных каналов, которые расположены винтообразно вдоль вертикальной оси, а вокруг нее - по криволинейным поверхностям внешней и внутренней сторон каждого направляющего конфузорного канала. При этом суженные в плане сечения направляющих конфузорных каналов являются выходными отверстиями, которые образуют вокруг вертикальной оси зону формирования вихревого потока, а широкие в плане сечения направляющих конфузорных каналов -- входными отверстиями ветрового потока. В установке криволинейные поверхности внешней и внутренней сторон каждого направляющего конфузорного канала вокруг вертикальной оси выполнены спиралеподобно. Кроме того, относительно горизонтальной плоскости угол данных каналов вдоль вертикальной оси увеличивается в ярусе от одного направляющего конфузорного канала ко второму вокруг вертикальной оси. Каждый канал в вертикальной плоскости выполнен суженным от входного отверстия к выходному. При этом спиралеподобная часть в области входных отверстий плавно переходит в радиальную часть. А радиальная часть внешней стороны каждого канала выполнена с возможностью ее дополнительного регулируемого радиального увеличения. Кроме того, на внутренней поверхности спиралеподобной внешней стороны каждого направляющего конфузорного канала,
вдоль ветрового потока, расположены пластины обтекаемой формы, высота которых от нуля плавно увеличивается в направлении зоны формирования вихревого потока. Внутреннее сечение каждого канала выполнено со скругленными углами. А в суженном в плане сечении каждого направляющего конфузорного канала расположена регулируемая заслонка для обеспечения возможности перекрытия этого сечения. Кроме того, установка содержит, соосно с первым ярусом направляющих конфузорных каналов, по крайней мере, второй ярус направляющих конфузорных каналов. Все ярусы направляющих конфузорных каналов выполнены в виде срезанного конуса, верхняя и нижняя поверхности которого имеют форму кольца также срезанного конуса. При этом нижняя большая поверхность верхнего яруса направляющих конфузорных каналов соединена с меньшей верхней поверхностью нижнего яруса направляющих конфузорных каналов. Зона формирования вихревого потока выполнена суженой от низа установки к ее верху. Относительно горизонтальной плоскости угол винтообразно расположенных направляющих конфузорных каналов вдоль вертикальной оси увеличивается от одного яруса ко второму вверх. В ярусах данных каналов снизу вверх количество направляющих конфузорных каналов уменьшается. Вверху трубы расположен раструб с рассекателями вихревого потока. Кроме того, направляющие конфузорные каналы расположены спиралеподобно вокруг вертикальной оси против хода часовой стрелки в северном полушарии Земли или по ходу часовой стрелки в южном полушарии. При этом, относительно горизонтальной плоскости, угол винтообразно расположенных направляющих конфузорных каналов вдоль вертикальной оси увеличивается в каждом ярусе от одного направляющего конфузорного канала ко второму, а также от одного яруса ко второму вверх против хода часовой стрелки в северном полушарии Земли или по ходу часовой стрелки в южном полушарии Земли.
В наших следующих публикациях мы продолжим знакомить читателей с новейшими разработками в ветроэнергетике, в частности в ВВУ.
Предпочтительный вариант вихревой ветроэнергетической установки выполнен в виде многоярусной установки пирамидоподобной формы. Например, семиярусной, содержащей расположенную вверху вертикальную трубу, в середине которой на вертикальной оси находится ветроколесо, кинематически соединенное с преобразователем энергии, соосно с трубой и ветроколесом. Под ними на фундаменте расположены ярусы с зоной формирования вихревого потока в виде рабочего кольца. В качестве ветроколеса применены несколько турбин, которые расположены одна над одной на вертикальной оси.
В качестве преобразователя энергии, в предпочтительном варианте использован мощный электрогенератор с маховиком. В другом варианте может быть применен преобразователь механической энергии вращения ветроколеса в тепловую энергию.
Ольга Степанцева
