№56

Идгай МИНГАЗЕТДИНОВ,

профессор КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева, кандидат технических наук, академик Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, заслуженный изобретатель РТ

Мария КАЗАКОВА,

учащийся XI класса лицея №145 г.Казани

Современное развитие человечества, промышленности, индустрии, глобализация техносферы сопровождается существенным повышением энергопотребления. Нынешнее состояние обеспечения энергией является однобоким и не рациональным. Около 75–80% потребности в  энергетике обеспечивается путем сжигания природных органических энергоносителей – уголь, нефть, газ, торф, сланцы и др. Все эти энергоносители будут исчерпаны в ближайшие 50–100 лет. Даже если будут найдены новые месторождения энергоносителей (прибрежный океанский шельф, глубокие сланцевые месторождения и т.д.), то добыча и использование их только продлит время полного исчерпания органических энергоносителей.

Во-вторых, получение энергии, основанное на процессах сгорания, является крайне неблагоприятной для окружающей среды. Использование подобной энергетики негативно воздействует на все сферы окружающей среды – воздушную среду, гидросферу и почвенный покров. В атмосферу выделяются токсичные и вредные вещества. При полном сгорании органического топлива в продуктах сгорания образуется углекислый газ , водяные пары, окислы серы (, ), азот и зола. При высоких температурах образуются окислы азота .При неполном сгорании, что бывает в реальных топочных процессах, образуются углеводороды (, и др.), окись углерода , канцерогенные вещества.

Серьезное экологическое давление оказывает тепловая энергетика на гидросферу. Источниками загрязнения гидросферы являются сточные воды различных технологических операций: охлаждающие сточные воды, воды от обмывок наружных поверхностей котлов, отработанные растворы химической очистки, воды систем гидрозолоудаления, воды загрязненные нефтепродуктами. Состав загрязняющих веществ чрезвычайно широк и включает взвешенные вещества, соединения тяжелых металлов (железо, медь, цинк, никель, ванадий, сульфаты, хлориды, масла и нефтепродукты, гидразин, формальдегид и др.).

Что касается литосферы и почвенного покрова, то загрязнение ее обусловлено значительным объемом твердых веществ – шлака и выпадением аэрозолей от дымовых выбросов.

Для защиты биосферы от различных негативных факторов теплоэнергетических установок используют весь современный инженерно-технический арсенал. Осуществляют доработку и внедряют новые схемы котельных установок, проводят предварительную очистку углеводородных топлив от серы, используют многоступенчатые очистные сооружения и аппараты для нейтрализации дымовых выбросов, очистки сточных вод, разрабатывают технологии рекультивации почв. Однако, все эти меры требуют значительных материальных и финансовых затрат. Поэтому закономерным является необходимость поиска и разработки экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ), являющихся альтернативой традиционным видам энергетики. Существует большое разнообразие альтернативных ВЭИ, среди которых можно выделить прямое преобразование солнечной энергии с использованием фотоэлектрических преобразователей, использование энергии приливов и волн, биоэнергетику, ветроэнергетику. Эти виды ВЭИ являются экологически чистыми, практически неисчерпаемы и доступными. Сейчас практическое использование их сдерживается только очень низким коэффициентом полезного действия (КПД). Одним из перспективных видов альтернативных источников энергии является ветроэнергетика, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами. Одним из главных преимуществ является ее демократичность, т.е. доступность использования в любых странах и континентах, где различной степени интенсивности имеется движение воздушных масс. В противоположность этому, приливная и волновая энергетика требует наличия океанских и морских прибрежных зон, а солнечная энергетика определяется географической широтой и эффективность использования снижается по мере удаления от экватора.

Использование энергии ветра известно человечеству с древнейших времен. Например, в Древней Персии использовались ветротурбины, которые базировались на преобразовании силы аэродинамического сопротивления во вращение ветроколеса. Специальные наклонные стенки устройства являлись концентраторами воздушного потока, который направлялся только на половину лопастей колеса, защищая другую половину встречного движения лопастей.

В современных условиях, при возрождении интереса к ветроэнергетике, разрабатывают более эффективные конструктивные схемы (слайд №1). например, ковшовая конструкция в виде ротора Савониуса создает дополнительное давление с внутренней стороны ковша. Разрабатываются ветротурбины, в которых используется подъемная сила на лопастях пропеллерного колеса.

Другая разновидность ветротурбины используется в вихревых аппаратах, в которых набегающий поток воздуха попадает в полый вертикальный цилиндр по касательной (тангенциально) к стенке цилиндра, образуя крутящий вихрь. За счет центробежной силы возникает градиент давления у стенки цилиндра и разряжение в центре цилиндра. В эту разряженную область устремляется воздушный поток через нижнее отверстие трубы, который раскручивает установленную на его пути ветротурбину.

Приведенный краткий анализ показывает, что могут быть применены различные технические приемы использования энергии набегающего потока воздуха. В рамках повышения эффективности использования энергии ветра, была разработана схема конструкции комбинированного ветродвигателя [ ], в котором последовательно реализуется несколько факторов получения энергии ветра. Устройство состоит из неподвижного наружного кожуха, представляющего собой набор конических суживающихся каналов, являющихся концентраторами воздушного потока. Направление каналов концентраторов расположено тангенциально, т.е по касательной к лопастям ротора, расположенному в центральной части кожуха. Такое положение входных концентраторов обеспечивает активное натекание воздушного потока на лопасти ротора при любом направлении ветра. Лопасти ротора имеют вид ковша и составляют весть ротор Савониуса. Воздушный поток, отдав часть своей энергии ротору Савониуса поступает в конический суживающийся канал (конфузор), расположенный над ротором Савониуса, где на общем валу общем валу имеются лопастное колесо и воздействует на лопасть этого колеса, сообщая валу дополнительный крутящий момент. Сужение канала способствует возрастанию скорости воздушного потока, который истекая из конфузора попадает на воздушный винт, установленный на валу. На лопастях воздушного винта возникает подъемная сила, которая усиливает вращение вала, одновременно уменьшая осевую нагрузку на весь ротор, разгружая подшипники вращения. Выше воздушного винта. На валу расположена радиальная штанга, на концах которой имеются поворотные лопасти, выполненные эксцентрично, с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси между двумя ограничителями – вертикальным и горизонтальным. Центр тяжести лопастей смещен в сторону горизонтального ограничителя. Размах штанги может быть значительно больше диаметра колеса Савониуса, из-за чего даже при малых скоростях ветра вращательный момент, воздействующий на вал ротора будет очень большим, т.к. момент M=F*r, где F- усиление давления на лопасть, а r- плечо приложения силы – это радиус вращения штанги. Лопасти выполнены таким образом, что при вращении они становятся в вертикальное положение при совпадении вращения с направлением ветра и поворачиваются в горизонтальное положение при встречном движении. Вращательный момент M, воздействующий на вал ротора, является стартовым импульсом для начала вращения всего ветродвигателя. Далее, поток воздуха, который набегает на ветроустановку и воздействует на лопасти ветротурбины попадает в суживающиеся каналы концентраторов, раскручивает ротор Савониуса, далее, натекает на наклонные лопасти колеса над ротором Савониуса, после этого создает подъемную силу на аэродинамических лопастях воздушного винта.

Таким образом, объединение в одной установке нескольких факторов использования ветровой энергии – силу аэродинамического сопротивления в роторе Савониуса, силу давления и вихревой эффект в лопастном колесе, подъемную силу пропеллера и силу лопастей радиальной штанги, значительно повышает КПД всей установки и расширяет возможность использования в широком диапазоне скоростей воздушных потоков.

Вращение ротора в дальнейшем может быть преобразовано, через систему передач, редуктор, во вращение ротора электрогенератора и получение электрической энергии.

Важным является вопрос ветрового потенциала и получения реальной энергии. Количество энергии, которое несет воздушный поток в единицу времени через единичную площадь, перпендикулярную вектору движения, определяется соотношением:

, [Вт/м²], (2)

где – плотность воздуха, [кг/м²],

V – скорость ветра, [м/с]

Не вся энергия ветра доступна для использования. Теоретически максимальнорасполагаемая энергия определяется по соотношению:

,[Вт/м²], (3)

Реальная мощность, которую можно получить от ветрового потока:

, [Вт/м²], (4).

где S-ометаемая площадь ветроагрегата, [м²];

h – коэффицент полезного действия.

В предложенном устройстве преобразование и получение энергии от ветрового потока складывается из нескольких последовательных этапов. На первом этапе происходит преобразование в роторе Савониуса. Перед ротором Савониуса имеется концентратор, который выполняет двойную положительную функцию.  Во-первых, концентратор значительно увеличивает ометаемую площадь S в соотношении (4), что приводит к возрастанию.  Однако, не следует полагать, что весь располагаемый в геометрической плоскости входного сечения концентратора расход воздуха будет использован в роторе, т.к. воздушный тракт конденсатора представляет аэродинамическое сопротивление и часть воздушного потока будет обтекать конденсатор. Во-вторых, конфузорный канал, образованный концентратором, приводит к увеличению скорости воздуха, попавшего в концентратор и реализуемая мощность, согласно (4) увеличивается в соотношении .

Второй этап использования ветровой энергии состоит в воздействии на лопастное колесо конического ротора, расположенного над ротором Савониуса. В этом роторе используется сила аэродинамического сопротивления, воздействующая на наклонные лопасти.

Третий этап получения дополнительной мощности состоит в использовании потока воздуха, вытекающего из лопастного колеса и воздействующего на воздушный винт. Лопасти воздушного винта имеют аэродинамический профиль, вращаются в горизонтальной плоскости и имеют определенный угол атаки относительно потока набегающего воздуха.

Таким образом, использование предложенного устройства ветродвигателя позволит эффективно получать экологически чистую энергию ветра в широко диапазоне скоростей потока и может быть внедрено в небольшие фермерские хозяйства и частные дома или как автономные источники энергоснабжения или как дополнительные энергетические ресурсы для экономии централизованного энергоснабжения.

Литература

Мингазетдинов И.Х., Казакова М.В., Валиуллина Н.В. Патент на полезную модель №136100. Бюл. №36 от 27.12.2013.  

Презентация.