Вихревая ветроэнергетика

  В настоящее время существуют объективные причины, препятствующие широкому использованию ветровой энергии, это: низкая удельная плотность воздушного потока и существенная зависимость величины ветрового потока от природных условий.
   Для кардинального развития ветроэнергетики в первую очередь необходим поиск и разработка новых перспективных технических решений преобразования кинетической энергии ветра, повышающих эффективность ветровых установок, так как современные ветроэнергетические установки работают в основном в диапазоне ветров от ~8 до ~30 м/с; они не могут работать без системы «установка на ветер», а наиболее совершенным необходимо автоматическое управление углом атаки лопасти ветроколеса; ветроприемное устройство лопастных ветроустановок подвержено «гироскопическому эффекту», они имеют низкий КПД и достаточно высокую стоимость.
   Перспективные системы должны быть спроектированы с ветроприемниками возможно меньшей массы, которые используют для приведения их в действие не силу сопротивления, а подъемную силу, чтобы иметь большую быстроходность при больших значениях коэффициента использования энергии ветра.
   Одной из таких систем являются «генераторы вихря», использующие закрученный поток жидкости или газа.
   Закрученный поток газа и жидкости – один из наиболее распространенных типов течения в поле центробежных массовых сил. Такой поток характеризуется специфическими, отличающими его принципиально от осевого течения свойствами соизмеренных значений осевой, вращательной и радиально составляющих скоростей, продольными и поперечными градиентами статического и полного давления, существенными значениями градиента скорости в поперечном направлении, высоким уровнем турбулентных пульсаций, активным и консервативным воздействием центробежных массовых сил на поток и т.д.
   Способность вихревых струй концентрировать в своем стволе энергию, рассеянную в окружающем пространстве, использовать низкопотенциальные потоки, движущиеся в атмосфере, позволяют существенно расширить утилизацию тепловых потоков, сбрасываемых во внешнюю среду промышленными предприятиями, возможности преобразования гелиоэнергий в виде термоиндуцированных восходящих струй воздуха, энергии слабых ветров.
   В настоящее время проводятся широкомасштабные исследования систем со свободными и ограниченными вихревыми структурами для оценки того, насколько закручивание потока может увеличить мощность ветродвигателя, установленного в ядре вихря или вблизи него.
   Так, например, в ограниченной вихревой системе, разработанной фирмой Gumman Aerospace Corporation [1, 2], для генерирования вихрей типа «торнадо» используется башня, установленная над осевым ветроколесом в кольце (рис. 1). Вихревая система обеспечивает создание разряжения над ветроколесом и увеличение скорости проходящего через него потока.
   Подобные ограниченные вихри могут создаваться в различных конструктивных устройствах с направлением и закручиванием потока.
   Для типовых систем диаметр башни может быть в 3 раза больше диаметра ветроколеса, а высота башни – в 3 раза превышать ее диаметр или быть в 9 раз больше диаметра ветроколеса.
   Для таких башен скорость V0 и давление Р0 потока на входе могут быть больше скорости и давления ветрового потока (Vв, Рв). Это зависит от того, насколько эффективно преобразуется поток в башне. Внутри башни давление и скорость потока, закручиваемого вблизи ее стенок, примерно такие же, как и на входе.
   В процессе исследований было отмечено, что при больших размерах вихря угловая скорость завихренного потока может достигать максимальных значений, примерно в 10 раз превышающих угловые скорости потока у стенок башни на радиусе, составляющем 1/7 часть внутреннего радиуса башни. Они указывают, что вертикальная скорость потока внутри башни близка к нулю у ее стенки и достигает максимума в ядре вихря. Отмечается, что вертикальная скорость в ядре возрастает с увеличением его диаметра. Для систем больших размеров она может достигать значений в 7–8 раз превышающих угловую скорость у стенки башни, которая, как это указано выше, примерно равна скорости потока на входе в башню.
   По расчетным оценкам при скорости ветра 6,5 м/с энергия перепада давлений перед и за винтами примерно в 3600 раз больше кинетической энергии ветра, а при скорости ветра 13 м/с примерно в 900 раз (кинетическая энергия ветра увеличивается пропорционально квадрату его скорости, суммарная вырабатываемая электроэнергетика пропорциональна кубу скорости ветра).
   Максимальный теоретический КПД обычных ветродвигателей с горизонтальным расположением оси вращения винтов – 0,593; при этом отношение вырабатываемой энергии к площади винта при скорости ветра 13 м/с оценивается приблизительно в 430 Вт/м2. КПД вихревой башни «торнадо» будет выше, и при той же скорости ветра удельная вырабатываемая энергия составит 10,8 кВт/м2.
   Относительная стоимость постройки ветродвигателя новой конструкции, вырабатывающего от 1 до 100 МВт электроэнергии, может составить 65–500 $/кВт. Это сравнимо со стоимостью постройки электростанций, работающих на обычном топливе (300 $/кВт) [3, 4].
   Отечественный вихряк – «Вихревая ветроэнергетическая установка» (ВВЭУ) (рис. 2) – принципиально новое нетрадиционное направление в ветроэнергетике [5,6,7]. В основе ВВЭУ – «генератор вихря» – устройство, преобразующее равномерный поток ветра в вихреобразные струи, являющиеся концентратором энергии, организующим и аккумулирующим энергию ветра и низкопотенциальных воздушных тепловых потоков, аналогично тому, как в природных условиях кинетическая энергия ветра, распределенная в значительном объеме потока, концентрируется до огромных величин в компактном ядре природного смерча.
   Преимущества ВВЭУ относительно традиционных ветроустановок:
   - рабочая скорость ветра и массогабаритные параметры меньше в 1,5-2 раза;
   - нет вала и карданной системы – их заменяет система «ротор-генератор»;
   - нет системы ориентации ветроприемного устройства на ветер;
   - конструктивная схема ВВЭУ предполагает ее модульное использование (рис. 3);
   - номинальную мощность ВВЭУ в целом можно задавать набором определенного количества модулей;
   - стабилизация числа оборотов ротора обеспечивается только изменением ширины воздухозаборника;
   - благодаря своеобразной конструкции, ВВЭУ обладает повышенной устойчивостью к резким порывам ветра и ураганам, что обеспечивает работоспособность установки при любой скорости ветра (рис. 4).
   Научно-технические результаты исследований макетов и моделей ВВЭУ наглядно характеризуются ее рабочими параметрами:
   - коэффициент использования энергии ветра
   ξ ≈ 0,2 – 0,4;
   - быстроходность Z ≈ 0,5–1,5;
   - относительный момент М ≈ 0,1.

Библиографический список
   1. Aviation Week, № 9, 1/IV, 1976.
   2. D.Y. de Renzo Wind power recent developments, Noyez data corporation, Park ridge, New Jersey, USA, 1979, p. 48–49.
   3. Yen. Y.T. Tornado–Type wind Energy System, Proceeding of the 10-the Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 1975, p. 987–994.
   4. Haers F. Анализ характеристик ветроэнергетических систем типа «торнадо», Wind Engineering, 1983, v. 7, № 4, p. 223–232.
   5. Серебряков Р.А. Некоторые вопросы теории вихревой энергетики // Научные труды ВИЭСХ, т. 85, 1999, с. 34–54.
   6. Серебряков Р.А. Вихревая энергетика // Научные труды ВИЭСХ, т. 86, 2000, с. 80–82.
   7. Серебряков Р.А., Бирюк В.В. Вихревая ветроэнергетическая установка // Ракетно-космическая техника, сер. XII, Самара, 2000, с. 48–73.