Змеи в воздухе!

№41–42(749) 20 — 26 ноября 2015 г. 18 Ноября 2015 5

Ископаемое топливо слишком дорого, чтобы связывать с ним будущее украинской энергетики. Ветряные установки, которые были построены в нашей стране, также оказались малоэффективными. Мировой опыт показывает: чтобы поймать стабильно сильный ветер нужно поднять турбины электрогенераторов в небо — на шарах, дирижаблях, крыльях самолетов и даже на воздушных змеях.

В мире уже разрабатывают и испытывают новые системы генерации энергии за счет возобновляемых источников энергии, в частности, создаются экспериментальные и опытные образцы, использующие мощные воздушные течения в атмосфере, потоки высокой плотности и стабильности, фундаментально исследуется тропосферный* ветер.

_____________________________________
* Тропосфера — нижний, наиболее изученный слой атмосферы: его высота в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км.

Захватить потоки

Чтобы выяснить запасы потенциальной энергии воздушных потоков первым шагом может стать анализ параметров длительных метеоизмерений. За рубежом выполнены исследования по использованию воздушных течений (ветров) до высот 20 км и более. Энергии на этих высотах более чем достаточно. Так, ее запасы составляют 870 тераватт, в то время как текущее глобальное потребление — всего 17 тераватт. В настоящее время исследования ведутся уже на высотах, где скорости ветров достигают 10—30 м/с.

Известны также струйные течения — сильные потоки шириной от 300 до 3 тыс. км, вертикальной протяженностью 8—12 км. В длину они простираются на несколько тысяч километров, а иногда опоясывают весь земной шар. Скорость ветра в них составляет 45—55 м/с, хотя на высоте 10 км максимальная скорость может достигать и около 100 м/с.

«Захват» мощных запасов энергии высотных воздушных потоков осуществляется с помощью оборудования, т. е. ветряной турбины, которая механически крепится к носителю.

Вот что может, в частности, использоваться в качестве носителей турбин:

— летающие змеи, парашюты;

— объемные структуры, например дирижабли;

— привязные аэростаты;

— самолетные (крылья) и винтокрыльные системы.

В разных странах созданы и проведены экспериментальные исследования эффективности работы многих категорий таких установок мощностью от нескольких десятков до сотен киловатт, а некоторые агрегаты мегаваттного класса запланированы к серийному производству.

Воздушные течения обладают значительной стабильностью — это важно как для анализа объемов выработки электроэнергии, так и для надежности работы систем, которые поддерживают их на высоте. И на Западе такие оценки построены даже для разных населенных пунктов. Можно, например, предположить, что аэродромы для базирования ветряных турбин с использованием рассматриваемой технологии будут располагаться, например, недалеко от города, чтобы снабжать его электроэнергией напрямую.

Турбины уже в полете

Воздушные змеи — генераторы электроэнергии

Блок воздушных змеев, связанных с наземными генераторами площадью 100 кв. м, может производить 620 кВт электроэнергии. Массивы из нескольких воздушных змеев могут быть организованы в карусели. Конфигурация, образованная вокруг кругового рельса для производства электроэнергии, способна иметь установленную мощность до 100 МВт. Это один из оригинальных примеров поиска использования энергии ветра на сравнительно небольших высотах, где традиционные башенные ветроустановки не могут достать его поток.

Привязной винтокрыл — генератор Sky Windpower, соединенный с землей кабелем

Винтокрыл Sky Windpower поднимается в воздух за счет подачи питания по кабелю от наземного источника. При достижении желаемой высоты он, поддерживаемый вращающимися от ветра роторами, производит электроэнергию и передает ее через кабель на землю. Несколько винтокрылых машин могут быть объединены в ветряные электростанции для генерации больших объемов энергии.

Проведенные испытания натурных моделей показали, что Sky Windpower на высоте 4,6 км и выше может генерировать до 40 МВт. Такие летающие электрические генераторы уже предусмотрены для коммерческого производства тока мощностью в диапазоне 3—30 МВт.

[img:75006

Высотная ветроустановка Joby Energy мощностью 5 МВт состоит из 14 турбин, установленных на силовой раме. Наклон плоскости вращения ветряных роторов позволяет создавать не только крутящий момент электрогенератора, но и подъемную силу для поддержания системы на рабочей высоте генерации электроэнергии.

Ветроэлектрическая установка Makani system

Установка Makani system действует подобно турбине. Воздушный поток проходит через лопасти четырех ветротурбин, создавая крутящий момент, который в свою очередь вращает электрогенератор, производящий ток. Makani может летать на высоте 250—600 м, где ветер более сильный, и развивать номинальную мощность 600 кВт. Отметим, что этот проект поддерживают правительство США и корпорация Google.

Быстрее, выше, дешевле

Основные преимущества ветроэнергетики воздушных течений перед традиционными системами производства тока вполне очевидны.

Во-первых, при использовании этой технологии уменьшаются выбросы СО2 в окружающую среду. Во-вторых, источник энергии может быть приближен к потребителю, не нуждающемуся в таком случае в строительстве и эксплуатации электросетей значительной протяженности.

Да и инфраструктура, занимающая площадь на земной поверхности, заметно уменьшается, и ветроэнергетика не мешает ведению сельского хозяйства и промышленной деятельности вблизи ветростанций.

Наконец, разработчики прогнозируют, что стоимость электроэнергии, полученной от высотных ветроустановок, составит примерно два цента за киловатт-час.

(По нынешнему валютному курсу это равно 49 коп. за кВт.ч. Сегодня тариф на электроэнергию для бытовых потребителей в Украине составляет 45,6 коп/кВт.ч при объеме потребления до 100 кВт.ч электроэнергии в месяц. Для абонентов, превысивших данный лимит, начисляется 78,9 коп./кВт.ч. А согласно планам Национальной комиссии, осуществляющей государственное регулирование в сферах энергетики и коммунальных услуг, с 01.03.2017 тарифы увеличатся до 90 и 168 коп/кВт.ч соответственно. — Ред.).

Относительная дешевизна ветряной электроэнергии обусловлена нулевой стоимостью топливной составляющей, ведь источник энергии неисчерпаем и присутствует в неограниченных количествах. Кроме того, ветроэнергетика не имеет рисков, связанных с нестабильностью цен на ископаемое топливо и зависимостью от импорта ресурсов.

Технология не требует установки очистных сооружений от загрязнения окружающей среды, как это происходит при сгорании угля, газа, нефти. При этом после полного освоения высотного метода количество произведенной электроэнергии будет сравнимо с объемами традиционных способов генерации.

От Днепропетровска до Чукотки

В нашей стране построены наземные ветроэлектрические станции (ВЭС). Однако значительный прирост мощностей таких ВЭС ограничен. Во-первых, мощность ветротурбин мегаваттного класса имеет свои пределы. Во-вторых, необходимо увеличение площадей для их установок, что не всегда рационально.

Для принятия решения об использования у нас технологий летающих турбин требуется изучение мощности воздушных течений. Исследования отечественных ученых свидетельствуют, что над территорией нашей страны образованы струйные течения низких уровней (СТНУ). Они располагаются чаще всего на высоте 200—300 м с интенсивностью 16—17 м/с в летний период. Зимой данные показатели равны 500—600 м и 18—19 м/с.

Сегодня наши наземные ВЭС работают на средней скорости ветра 7 м/с. По самым приблизительным расчетам, мощность высотной ветроустановки при средней скорости ветра, например 17 м/с, будет в 14 раз больше.

Что касается технологий создания в Украине летающих турбин. Необходимо создать конструкторское бюро, куда войдут опытные производство, сектор выполнения экспериментальных исследований, как на стендах, так и в условиях возможной эксплуатации.

В настоящее время в таких работах могли бы принять участие столичное АНТК им. Антонова и днепропетровские КБ «Южное» и «Южмаш». Но, конечно же, техническое задание должно сформулировать Министерство энергетики и угольной промышленности. Кроме того, нужны прогнозы метеослужбы об особенностях распределения высотных ветров, в т. ч. и струйных течений над территорией страны.

Сроки и качество разработки новых более эффективных систем в значительной степени зависят от предыдущего опыта разработчика. Ведь создаваемая высотная система генерации будет работать на больших высотах, скоростях ветра (до 45 м/с) и температурах наружного воздуха (до минус 50°С).

И подобный опыт в нашей стране имеется. Так, в свое время министр энергетики и электрификации УССР Виталий Скляров инициировал разработки по использованию энергии ветра. И в конце 1980-х КБ «Южное» спроектировало, а уже в начале 1990-х «Южмаш» изготовил отечественную ветроустановку АВЭ-250.

На основе этого агрегата в 2002 г. на мысе Обсервации Анадырского района Чукотки была построена ветродизельная электростанция, мощностью 3 МВт, которая работает до сих пор, в т. ч. при температуре воздуха до минус 50°С.

Конечно, высотная ветроустановка отличается по своей конфигурации от наземной: прежде всего способностью при приемлемых размерах воздушного винта воспринимать воздействие высокой скорости потока. В 2006—2009 гг. днепропетровскими специалистами ПКТБ «Конкорд» и КБ «Южное» (руководитель проекта к. т. н. Николай Голубенко) был впервые в мировой практике создан и испытан турбогенератор с диаметром воздушного винта 4 м мощностью 250 кВт.

Он был успешно испытан. При воздействии на основной ротор скорости ветра 11 м/с поток нагрузки на турбогенератор равен 45 м/с! Такая установка может быть использована на экспериментальной модели.

На первоначальном этапе реализации технологии целесообразно начать работы с освоения небольших высот. Если принять среднее значение известных нам скоростей ветра СТНУ, равное 17 м/с, то модель можно создать, используя крылья самолета Ан-2 (т. н. «кукурузник». — Ред.). На такой скорости эти крылья могут поддерживать массу около 4,4 т. Следовательно, на них можно установить две ветротурбины, разработанные на «Южном», мощностью 200 кВт и массой 1,5 т каждая.

При положительных результатах испытаний такая установка может быть классифицирована как опытная для производства и оснащения, к примеру, предприятий агропромышленного комплекса.

Целесообразно создание мобильной установки мощностью 50—70 кВт и более на воздушном шаре или дирижабле для работы в местах, где строительство линий передачи из-за сравнительно небольших потребностей в электроэнергии экономически невыгодно. Оборудование сельхозполей такими установками может радикально изменить технологию ведения работ, что предполагали осуществить еще в XX веке.

Технология производства электроэнергетики с использованием необъятных запасов энергии воздушного океана относится к инновационной деятельности. Используя новую технологию, мы не разрушаем земную поверхность, целые пласты для добычи угля, газа, нефти, топлива для АЭС. И очень важно, что энергоноситель не нужно закупать, что обеспечивает полную независимость страны от внешних источников.

Уважаемые читатели, PDF-версию статьи можно скачать здесь...

Лампочку можно не менять 10 лет

Светодиодные системы позволяют делать то, что не могут другие технологии, —...

Кругляк преткновения

Сколько стоит мораторий на вывоз необработанной древесины

Градусы против киловатт-чаcов

Платежки за услуги ЖКХ — сколько остается на другие нужды

Возмущению действиями власти нет предела

Я получил платежку за отопление (за половину октября) на 1428 грн. 64 коп.

Комментарии 0
Войдите, чтобы оставить комментарий
Пока пусто
Блоги

Авторские колонки

Ошибка