Непрерывного воздушного потока

ЕВТУШЕНКО А.Д., УШАКОВ К.Ю., ФРОЛОВА М.В.,
КузГТУ, г. Кемерово

Науч. рук. ст. преп. ПАСКАРЬ И.Н.

Ветер – это один из возобновляемых источников энергии, потенциал которого превышает нынешние объемы потребления энергии. При анализе розы ветров РФ был сделан вывод, что бо́льшими скоростями ветра по сравнению с центральной Россией обладают прибрежные районы. Это объясняется практически не прекращающимся процессом конвекции воздуха в данных регионах.

Особо острой является проблема использования энергии ветра в регионах центральной России. В связи с часто меняющейся скоростью воздушного потока использовать ветровые установки невыгодно и нецелесообразно. Это является одной из основных проблем, сдерживающих развитие ветрогенерации.

Одним из вариантов решения заданной проблемы является совместное использование солнечной энергии с энергией ветра. Использование энергии солнца позволит создать искусственный постоянный поток ветра для стабильной работы ветроустановки.

Установка состоит из термостекла, которое, с одной стороны, является светопроводящим материалом, а с другой – имеет низкий коэффициент теплопроводности, что позволит пропускать солнечные лучи в зону работы устройства с полным их поглощением; пластины из теплоаккумулирующего материала, например ТАММИ (композиционный теплоаккумулирующий материал многоразового использования), поверхность которых покрыта сажей для увеличения теплопоглощающей способности; теплоаккумулятора из солей нитратов натрия и калия, позволяющих сохранять тепло до 12 часов, с теплопроводящими пластинами; ветротурбины; теплоизоляционного материала.

Для обеспечения стабильной работы к установке и ее компонентам предъявляются следующие требования:

1. Система должна обеспечивать скорость ветра не меньше 4 м/с.

2. Система должна работать в температурном диапазоне от –40 до +40 °С.

3. Теплоемкость накопителя (теплоаккумулятора) должна быть не ниже 3000 Дж/(кг · °С).

4. Светопропускаемость экрана должна быть не ниже 85 %.

5. Сетопропускаемость экрана в обратную сторону – не более 5 %.

6. Аэродинамическое сопротивление воздуходувной системы должно быть не более 0,001 Н · с²/м⁶.

7. Мощность накопителей энергии, устанавливаемых на ветроферме, должна быть не менее 55 % от совокупной мощности ветрофермы.

Принцип работы установки основан на явлении естественной конвекции – генерации постоянного потока воздуха. Путем создания определенной разницы температур в области работы установки и окружающей среды создаются условия для циркуляции воздуха через установку, тем самым получаем постоянный поток воздуха. Солнечные лучи, проходя через термостекло, нагревают теплопоглощающую пластину и воздух, находящийся между стеклом и пластиной, также часть теплоты солнечных лучей уходит на теплоаккумулирующий материал, который позволяет создавать перепад температур в период недостаточной величины солнечной радиации. Вследствие увеличения температуры в рабочей зоне установки начинается циркуляция воздуха в ней путем поступления более холодного воздуха из окружающей среды. Сужение канала может позволить увеличить выходную скорость воздушного потока, а принцип эжекции – объем воздушной массы, подаваемой на лопасти ветроустановки.

Также был учтен тот факт, что естественные воздушные потоки имеют переменное направление, поэтому в конструкции предусмотрены боковые всасывающие каналы для всасывания поперечных воздушных потоков.

Были рассчитаны приблизительные габариты установки, под которые был подобран необходимый перепад давлений и температур для генерации постоянного потока воздуха.

В Испании существует аналог данной установки в несколько ином конструктивном исполнении. В 150 км от города Мадрид расположена аэродинамическая труба, внутри которой 4 ветрогенератора при разности 20 °С выдают мощность 50 кВт (высота – 195 м, диаметр – 5 м, радиус коллектора – 122 м). Однако габариты и стоимость подобных установок не позволяют применять их повсеместно.

Низкий КПД генерирующих объектов, использующих возобнов-ляемые источники энергии, не позволяет им выйти на достойный уровень внедрения в России и мире. Совместное использование разных видов ВИЭ в одной установке для получения электрической и тепловой энергии позволит повысить КПД их работы и обеспечит стабильность производства энергетических ресурсов. Приведенная установка будет иметь более низкую стоимость по сравнению с аналогами и позволит дать толчок для развития возобновляемой энергетики в районах, где ранее ее применение считалось нерациональным.

УДК 621