В продолжении предыдущей статьи рассмотрим какой сюрприз нам заготовили ставшие уже привычными ветрогенераторы. Возвращаясь из отпуска, внезапно обнаружил существование ветряной электростанции (ВЭС) прямо на границе Каменск-Шахтинского района Ростовской области. Поиск в интернете подтвердил, что эта ВЭС была введена в строй в апреле-мае 2020 года.
Не без удовольствия прочитал, что производство ветряков происходит на нескольких российских предприятиях. Один ветряк рассчитан на 3,8 МВт мощности.
Немного теории
Винт ветряного двигателя выполняет противоположную функцию по отношению в воздушному винту авиадвигателя. Энергия движения воздушной массы преобразуется в энергию вращения винта. Энергия вращения, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию при помощи генератора.
Как мы помним из курса физики, масса воздуха это не что-то едва ощутимое, это более 1 килограмма на каждый кубометр (~1,3 кг). Примерно оценим какая масса воздуха со скоростью V за одну секунду проходит внутри окружности диаметром D, по которой проходят концы лопастей.
Для понимания порядка величины рассмотрим довольно заурядный диаметр лопастей 50 метров и довольно спокойный ветер со скоростью 10 м/с. Масса воздуха, проходящая через окружность за 1 секунду составит 25,5 тонны. Величина довольно внушительная, что-то более близкое к гидроэнергетике. Конечно, не вся энергия движущейся массы преобразуется во вращение. Для оптимизации можно поиграться углом атаки лопастей, влияющим на геометрический шаг, но суть не в этом.
Самый главный вывод из представленной выше формулы это влияние диаметра винта на характеристики ветряка. Зависимость квадратичная, а это значит, что увеличение диаметра в 2 раза приводит к 4-кратному увеличению мощности установки (!).
Далее следует постоянная гонка за диаметром винта. Чтобы увеличить лопасть нужно увеличить высоту мачты (возможно неправильный термин), на которой расположен генератор. Все же понимают, что лопасть не должна задевать грунт. Увеличение высоты мачты приводит к более основательным работам над фундаментом и прочностью установки. А это все крупные вложения, которые не должны превысить полезный эффект от увеличения диаметра винта. На текущий момент европейские ветряные установки имеют диаметр винта около 120 метров. Дальнейшее увеличение диаметра сталкивается с крупными экономическими затратами.
Существует еще один фактор, приносящий пользу. Увеличение высоты расположения генератора положительным образом сказывается на выходной мощности установки. Дело тут в силе ветра, которая растет с увеличением высоты. И тут парней из Altaeros Energies понесло...
Апогей инженерной мысли
Первым делом, для увеличения эффективности установок их необходимо поднимать высоко вверх. Кроме повышенной скорости ветра это даст возможность и увеличить диаметр винта. Поскольку прочность строительных материалов уже не обеспечивает дешевое увеличение высоты, то на помощь приходят аэростаты.
На схеме выше: A - оболочка аэростата, B - ветрогенератор, C - удерживающие и токопроводящие тросы, D - наземная часть установки.
Как показывают исследования, с ростом высоты скорость ветра существенно выше. На схеме ниже показана зависимость плотности ветряной энергии от высоты.
На высоте 600 метров плотность потока ветровой энергии в 6 раз больше, чем на высоте 120 метров.
Дальше - больше... На этом инженерные изыскания не окончились. Обратите внимание на форму аэростата. Оперение в задней его части необходимо для ориентации по ветру и в этом совсем ничего нового, но почему генератор внутри?
В дело вступают достижения аэродинамики. Массе воздуха необходимо обтекать сложную форму аэростата и ровно по этой причине весь воздух внутри диаметра D вынужден проходить через отверстие, где расположен винт. Это равносильно увеличению диаметра винта, в рассмотренном случае где-то в 2 раза. А что это означает? Да то, что масса проходящего воздуха возрастает в 4 раза, и соответственно эффективность установки увеличивается в 4 раза.
Выводы
Представленная разработка это весьма остроумная компиляция ранее известных технологий. Аэростат не только поднимает установку на высоты с более сильным ветром, но и способствует увеличению плотности ветровой энергии за счет аэродинамики своей формы. Все это происходит без существенных вложений в строительство мачты гигантских размеров.
Кроме того, наземную установку можно снабдить компьютером с программным обеспечением, следящим за ресурсом механических частей установки, за безопасностью установки в целом, зависящей от погодных условий.
Высокое расположение установки может быть использовано для размещение аппаратуры связи и метеооборудования.
Несомненно, такая установка как нельзя лучше укладывается в концепцию использования постоянного тока в автономных населенных пунктах.
Поддержите статью лайком если понравилось и подпишитесь чтобы ничего не пропускать.