АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Главная >>

Концентраторы потоков >>

Физика процесса концентрации >>

Контакты >>

Дополнительно:

Перспективные направления и
ресурсы российской электроэнергетики >>

Cамообеспечение в коттеджах >>

Проект «Да здравствует
любовь» >>

КОНЦЕНТРАТОРЫ ПОТОКОВ

Как отмечено на главной странице сайта, концентрация воздушного, а равно и водяного потока позволяет существенно уменьшить затраты на строительство ветро- и гидроэлектростанций и увеличить их надёжность. Однако задача по концентрации воздушных потоков оказалась совсем не простой.

Даже такие простые устройства, как конфузоры оказались до обидного малоэффективны. Если отношение диаметров входящего и исходящего отверстий невелико и составляет 1,3–1,5, мы без проблем получаем прирост скорости потока 20–25%. Дальнейшее увеличение входного отверстия конфузора никакого прироста скорости не даёт. Но и такой прирост повысит эффективность ветрогенератора почти в 2 раза. Это вроде здорово, но надо понимать, что такой же прирост энергии мы получим, увеличив в два раза ометаемую ветряком площадь. В этом случае размер крыльев ветряка надо увеличить в 1,4 раза (как раз до размеров входного отверстия конфузора). Получается, что применение конфузоров неэффективно – проще увеличить размер крыльев, чем городить конструкцию с конфузором, которую надо при этом ещё и ориентировать по ветру. Практики сразу поняли, что эффективность конфузора очень мала по сравнению с ожидаемой, и поэтому, особенно не разобравшись, забросили этот вариант направления разработок в мусорную корзину. Те же варианты конфузоров, которые давали какой-то реальный эффект, сильно усложняли конструкцию, так как их надо было разворачивать по ветру, а их парусность была очень высока. Поэтому сейчас ни одна крупная фирма в мире не производит мощные ветрогенераторы с конфузорами.

С другой стороны, повсеместно в расходомерах используются трубы Вентури (конфузор на входе и диффузор на выходе), как имеющие наименьшие потери давления (напора) среди сужающих поток устройств. Известно, что потери напора при использовании трубы Вентури составляют от 5 до 20% (при изменении отношения площади сечения трубопровода к горловине от 1,6 до 10,0). Причём это для длинных труб Вентури, а для коротких потери ещё меньше. Но это же показывает, что, в принципе, возможно концентрировать воздушные потоки (и не только воздушные) в 10–15 раз, теряя только до 20–30% энергии. Найдя технологически простые и дешёвые варианты таких конструкций, можно будет поднять эффективность ветроэнергетики на порядок, так как сможем уменьшить на порядок затраты на строительство ветроэлектростанций и стоимость обслуживания, а также увеличить срок службы.

Попытаемся разобрать, почему обычный конфузор оказался таким неэффективным концентратором. В случае турбулентного потока всё понятно – мы можем на выходе вообще ничего не получить. В случае же ламинарного потока, направленного прямо по оси конфузора, происходит разделение потока на две части. Центральная часть, которая практически не встречает сопротивления, пролетает через конфузор слегка ускоряясь. А остальная часть потока начинает завихрятся, оставаясь со стороны входного отверстия конфузора, так как встречает большое сопротивление. Работа над формой конфузора позволяет прибавить к выходной скорости лишь незначительную величину – несколько процентов, но проблему не решает.

Выход один – входящие в концентратор потоки (слои) воздуха должны встретить почти одинаковое сопротивление, что исключит турбулентность и позволит потоку концентрироваться, ускоряясь при этом. То есть выходное отверстие концентратора, как минимум, не должно находиться напротив входного.

Не будем рассматривать концентраторы в виде труб Шауберга. Это трудно реализуемые формы. Самое простое – это концентраторы в виде спиралей. Например, логарифмическая спираль, которая используется не только человеком, но и в природе (рис. 1).

Рис. 1. Логарифмическая спираль.

Конфузор можно также модернизировать до полноценного концентратора, придав ему форму сопла Вентури с коротким диффузором на выходе и разместив по центру дополнительно тело аэродинамической формы, вытянутое вдоль оси, диаметром чуть больше, чем выходное отверстие и плавно сужающееся до острия в горловине сопла. Но попытка дальнейшего улучшения свойств этого концентратора приводит нас опять к форме стен в виде спирали. При проекции этого улучшенного концентратора на плоскость видно, что он состоит из спирального концентратора, проекция которого вращается вокруг оси, проходящей через ближайшие друг к другу точки входного и выходного отверстия концентратора (рис. 2). Если никто не против, назовём эту конструкцию соплом Савельева. Такая конструкция сопла работает даже при очень низких давлениях и имеет максимальный к.п.д. (поэтому и работает при низких давлениях). Его выходное отверстие может быть или круглым, или кольцевым, причём выходной поток концентрируется по оси.

Можно упростить конструкцию сопла для облегчения технологии изготовления (рис. 3).

Но форма концентратора определяет лишь его эффективность (к.п.д.). Чтобы он заработал, необходимо понизить его сопротивление или увеличить давление потока. Трубы Вентури поэтому и работают как концентраторы, потому что в системе достаточно высокое давление. Давление мы изменить не можем – это напорное давление ветра, а понизить сопротивление – без проблем. Нужно всего лишь увеличить размер концентратора. Чем больше концентратор, тем примитивнее может выглядеть его конструкция, тем меньше его сопротивление потоку и тем эффективнее он работает. Все, наверное, ощущали на себе, какой ветер иногда возникает между близко стоящими домами, если они расположены перпендикулярно друг к другу или просто под аркой большого дома. Или если у Вашей квартиры окна выходят на противоположные стороны дома, они открыты и на улице ветер. Обратите внимание, когда Вы открываете дверь в комнату, где открыто окно, сквозняк (скорость ветра) сначала увеличивается, потом уменьшается. Есть как бы оптимальное сопротивление, ниже которого возникает стабильный, мощный поток через устройство и становится возможна его концентрация в некоторых пределах.

Ещё с прошлого века известна конструкция кольцевого сегментного конфузора, для которого направление ветра не имеет значения (его не надо ориентировать при изменении направления ветра). Эта конструкция описана в некоторых патентах и даже кое-где используется. Мы можем использовать этот принцип в построении наших концентраторов. Наша конструкция или строение представляет собой 3–4 радиально расположенных концентратора, выходные отверстия которых выходят в рабочую камеру, где расположены один или несколько ветрогенераторов. Оптимальным можно считать 3–4 концентратора (рис. 4).

Рис. 4. Ветрогенераторы (в центре) с тремя и четырьмя концентраторами.

Концентрация потока происходит по горизонтали. В верхней части ветроэлектростанции находится чашеобразный концентратор, где концентрация (ускорение) потока происходит по вертикали (рис. 5).

Рис. 5. Чашеобразный концентратор.

Этот быстрый поток служит для уменьшения давления в рабочей камере путём эжекции воздуха через отверстия в верхней части (потолке) рабочей камеры. Дополнительное разряжение в рабочей камере увеличит скорость выходного потока и, таким образом, увеличит эффективность концентраторов и всей ветроэнергетической установки в целом. В центре рабочей камеры (по вертикальной оси) проходит вытяжная труба, диаметр которой подобран так, чтобы скорость вытяжного потока была максимальна. Тогда и вытяжка благодаря эжекции через отверстия в трубе создаст ещё большее разряжение, что также повысит эффективность ветроустановки. Вытяжка наиболее эффективна в многоэтажных зданиях. Эффективность её можно ещё повысить, дополнительно используя солнечные коллекторы для прогревания воздуха в нижней части сооружения. Используя три-четыре упрощённых сопла, возможно на этаже ветроэлектростанции разместить дополнительно три-четыре помещения округлой формы для различных нужд, для более эффективного использования площади ветроэлектростанции (рис. 6).

Рис. 6. Подсобные помещения внутри ветроэлектростанции с упрощёнными соплами.

Ветроэлектростанции можно размещать на верхних этажах любых зданий (рис. 7).

Рис. 7. Примеры размещения ветроэлектростанций на этаже зданий с круглым и квадратным периметром.

При желании ветроэлектростанция может занимать несколько этажей. В качестве ветрогенераторов рекомендуется использовать вертикально-осевые ветроустановки типа Дарье (в частных коттеджах – с геликоидными лопастями для уменьшения вибрации). Для первоначальной раскрутки можно использовать ротор Савониуса.

Подведём итоги. Предполагаются три основных варианта использования ветроэлектростанций с концентраторами потоков:

1. Промышленные установки большой мощности, которые как бы состоят из двух частей: примитивной и высокотехнологичной. Примитивная часть – это непосредственно концентратор, который представляет собой просто радиально или спирально расходящиеся стены (без крыш) из любого (на выбор) материала. Высокотехнологичная часть – это, как правило, многоэтажная конструкция, открытая со всех сторон (без стен), но с крышей и с независимой ветроустановкой на каждом этаже. Вся эта конструкция прекрасно работает и без концентратора. Но она должна иметь запас по мощности, так как концентратор усиливает ветер в 2,0–2,5 раза, что увеличивает количество вырабатываемой энергии в 6–10 раз. Энергии мы получим столько, как если бы ветроустановка была размером с наш концентратор. Предлагаемые конструкции гораздо проще и дешевле при монтаже и в обслуживании, тем более что и надёжность их в несколько раз выше.

Концентраторы спирального типа легко использовать и с ветростанциями вихревого типа, задав ещё концентрируемому потоку небольшую вертикально направленную составляющую. Хочется также обратить внимание на перспективность вихревых ветроэлектростанций, так как в них один и тот же поток ветра многократно отдаёт свою энергию (мы как бы выжимаем энергию ветра до капли), и к.п.д. таких устройств, если мы освоим эту технологию, будет максимальным.

Можно легко увеличить количество вырабатываемой энергии любой (хоть самой мощной) уже построенной ветроэлектростанции в 5–6 раз, достаточно возвести три или четыре кирпичные стены, радиально или спирально расходящиеся под углом 90 или 120 градусов. Причём возведя уже часть стен, мы получим приращение энергии, и всегда можно продолжить строительство.

2. Ветроэнергетические установки на верхних этажах жилых и промышленных объектах (возможно на нескольких этажах).

3. Ветроэнергетические установки на последних этажах частных коттеджах.

В гидроэнергетике бесплотинных электростанций также гораздо эффективнее использовать не обычные водозаборники, а спиральные концентраторы потоков, ускоряющие течение и поднимающие мощность гидрогенераторов на порядок.

© ООО «Вингс», 2008–2014  |  Хостинг: beget.ru  |  Создание сайта: mcprogramming.ru