ВЕТРОВАЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
WIND POWER HEAT STATION

Известны ветроустановки, состоящие из ветродвигателя и исполнительного устройства (электрогенератора, насоса) и устройства, передающего вращение от ветроколеса ветродвигателя к исполнительному устройству [см. Я.И. Шефтер. Использование энергии ветра. М.: Энергия, 1975 г., с. 59-128].
При сравнительно небольших мощностях ветроустановок, например в несколько киловатт или несколько десятков и даже сотен киловатт, не возникает серьезных проблем с преобразованием энергии вращения ветроколеса в другие виды энергии. Известна формула мощности ветроколеса [см. Большая Советская энциклопедия, 1971 г., т. 4, с. 589].
где  - мощность на валу ветроколеса, кВт;
3
- плотность воздуха, кг /м;
- скорость ветра, м /с;
- диаметр ветроколеса, м;
- коэффициент использования энергии ветра.
Для упрощения дальнейших рассуждений некоторые из указанных выше параметров будем считать постоянными величинами и придадим им следующие значения:
3
=1,3 кг/м;
- 10 м/с, с учетом возможности увеличивать скорость воздушного потока, проходящего через ветроколесо, с помощью конфузора;
=0,4 при его колебании для наиболее эффективных ветроколес от 0,38 до 0,48.
вк
После их подстановки в формулу для Р получим следующюю формулу:
. Отсюда .
По полученной формуле проведем расчеты диаметров (D) в зависимости от заданной мощности ветродвигателя, для чего зададимся рядом мощностей от 1 до 200 000 кВт и сведем результаты расчетов в таблицу.
Теперь, исходя из полученных величин диаметров ветроколес просчитаем их скорость вращения n в оборотах в минуту.
Из теории ветроколес известен так называемый коэффициент быстроходности ветроколеса Z [cм. БСЭ, 1971 г., т. 4, с. 589], который показывает, во сколько раз линейная скорость вращения крайних наружных точек ветроколеса больше скорости воздушного потока, проходящего через ветроколесо. Его величина колеблется от 1 до 11 в зависимости от типа ветроколеса. Для упрощения анализа скоростей вращения ветроколес примем этот коэффициент равным 6, т.е. близким к его среднему значению.
Тогда число оборотов ветроколеса в зависимости от его диаметра выразится формулой:
Теперь возьмем ряд диаметров, получившихся ранее в зависимости от мощности ветроколес, и определим их скорость вращения в оборотах в минуту (см. таблицу).
Из таблицы видно, что чем больше диаметр ветроколеса, тем медленнее оно вращается при одной и той же скорости воздушного потока и тем труднее получить требуемую скорость вращения исполнительного устройства, например электрогенератора. Ведь частота электрического тока, получаемого от ветроустановки, должна равняться стандартной ее величине (например, 50 Гц), а следовательно, необходимо повысить скорость вращения исполнительного устройства в несколько десятков и даже сотен раз по сравнению со скоростью вращения ветроколеса.
Задача не из простых и решается она по-разному.
Это и увеличение числа пар полюсов в генераторе, применение повышающих редукторов, применение электрических, электронных, пневматических, гидравлических и других устройств.
Но с ростом диаметра ветроколеса, а следовательно, с ростом степени повышения скорости вращения исполнительного устройства, делать это становится все труднее, сложность, количество и масса преобразующих устройств стремительно увеличивается, а их общий КПД так же стремительно падает.
В некоторых случаях имеется потребность получения от ветродвигателей не электрической или механической, а тепловой энергии (для обогревания жилищ, производственных помещений и т.д.).
Известен ветродвигатель по патенту SU 1064 039, который содержит ветроколесо, соединенное силовой трансмиссией с валом, расположенным вертикально. На нижнем конце вала закреплена крыльчатка, вращающаяся в горизонтальной плоскости и расположенная в цилиндрической обечайке, которая соосно помещена в цилиндрический бак, заполненный водой. При вращении крыльчатки вода перемешивается и от трения о крыльчатку, о стенки обечайки и бака и за счет внутреннего трения нагревается. По достижении требуемой температуры вода поступает к потребителю, а на ее место поступает относительно холодная вода от потребителя или от дополнительного источника.
Недостатками этого ветродвигателя являются нижеуказанные:
1. Низкая скорость движения воды относительно поверхностей крыльчатки при расчетной скорости ее вращения.
Происходит следующее: при своем вращении крыльчатка увлекает слой воды, находящейся в ее плоскости и толщиной, равной боковой проекции крыльчатки, во вращение. Постепенно, при непрерывной работе ветроколеса, это вращение за счет трения упомянутого слоя воды о соседние слои, передается на весь объем воды, находящейся в обечайке.
Скорость вращения воды все более приближается к скорости вращения крыльчатки. Т.е. относительная скорость воды и поверхностей крыльчатки приближается к нулю. Вследствие чего нагревание воды от трения о крыльчатку резко снижается. Остается практически только трение воды о стенки обечайки, что является совершенно незначительной величиной.
Вследствие изложенного выше, нагревание воды в баке происходит очень медленно и при недостаточной величине теплоизоляции требуемая температура воды может быть и не достигнута.
2. Наличие механической передачи снижает надежность установки в целом, усложняет ее обслуживание при эксплуатации.
Ветрустановка для нагрева воды по патенту №2431762 не содержит в своем составе механической передачи от ветроколеса к крыльчатке, которая расположена на одном валу с ветроколесом. Крыльчатка погружена в бак с жидкостью, например водой.
Однако эта установка также имеет недостаток, аналогичный недостатку 1 Тепловой ветроустановки по авторскому свидетельству SU 1064039, который изложен выше.
Известен ветротеплогенератор по патенту №2253040, который состоит из ветроколеса с горизонтальной осью вращения, двойной силовой передачи, которая вращает одновременно два вала, на каждом из которых закреплены по одному блоку крыльчаток, погруженных в емкость с вязкой жидкостью, например минеральным трансмиссионным маслом. В этот бак погружен трубчатый теплообменник, по которому циркулирует вода. Она собирается в водяном аккумуляторе, а оттуда направляется к потребителю и в него же возвращается от потребителя.
Наличие двух блоков крыльчаток, вращающихся в противоположные стороны, усиливает перемешивание жидкости и повышает эффективность работы всей установки.
Устройство ветротеплогенератора по патенту №2253040 принято за прототип.
Тем не менее оно тоже не свободно от недостатков:
1. Наличие двойной механической передачи снижает его надежность и затрудняет обслуживание при эксплуатации;
2. Сохраняется послойное вращение жидкости со скоростью, практически совпадающей со скоростью вращения блоков мешалок. Т.е. скорость движения жидкости относительно поверхностей мешалок сохраняется близкой к нулю. И хотя вращаются два слоя жидкости в противоположные стороны, но перемешивания их частиц практически не происходит, а следовательно, скорость нагревания жидкости в целом остается далеко недостаточной.
3. Наличие второго контура передачи тепла от вязкой жидкости через теплообменник к воде, что существенно снижает скорость нагревания воды.
В предлагаемой заявке ветровая теплоэлектростанция (далее ВТЭС) также происходит преобразование энергии вращения ветроколеса в тепловую энергию теплоносителя, например воды, или в энергию пара этого теплоносителя.
Далее в заявке в качестве теплоносителя упоминается только вода и ее пар.
Использование тепловой энергии воды и ее пара происходит так же, как на обычной тепловой электростанции, т.е. для отопления помещений путем подачи горячей воды и ее пара или путем использования пара в турбинах для выработки электроэнергии. Возможно также использование горячей воды и пара в технологических целях.
Для этого требуется фактически только два основных элемента: цилиндр, заполненный водой, на внутренних стенках которого равномерно как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях расположены перфорированные лопатки, и ротор, на наружной поверхности которого аналогично расположены такие же лопатки. При этом лопатки имеют в плане прямолинейную форму, а длины этих лопаток почти равны половине разности диаметров внутренней поверхности цилиндра и наружной поверхности ротора, так, чтобы они (т.е. лопатки) размещались в кольцевом пространстве с зазорами не более 5 мм. В то же время при своем вращении совместно с ротором лопатки, расположенные на роторе, должны по высоте свободно, но также с зазорами не более 5 мм проходить между лопатками, расположенными на цилиндре. Лопатки должны располагаться так, чтобы их продольные оси в плоскости, перпендикулярной оси установки, находились под углами 5-10° друг относительно друга, а в плоскости, параллельной оси установки, на расстоянии, равном 5-10% от общей высоты цилиндрической емкости или ротора.
В поперечном сечении лопатки могут иметь форму части полуцилиндра с центральным углом, равным, например, 100-120 градусам. При вращении ротора происходит интенсивное перемешивание воды - она буквально бурлит, что и вызывает интенсивное повышение ее температуры и образование пара.
Для примера возьмем ветроколесо номинальной мощностью 20000 кВт (при скорости воздушного потока 10 м/с). Его диаметр равен 100 метров.
Диаметры колес свыше 20 метров - с учетом патента №2387870 (заявка №2008110255) того же автора, что и предлагаемое изобретение. Энергия вращения ветроколеса при хорошей теплоизоляции цилиндра практически полностью превращается в тепловую энергию. С запасом примем коэффициент преобразования равным 0, 9.
3
2
Тогда тепловая мощность, передаваемая от ветроколеса воде, будет равна 18000 кВт. При такой мощности за один час, например, 150 м воды будет нагреваться на 120°С. Если считать, что температура подаваемой воды равна 10°С, то вода будет нагреваться до 130°С. При этой температуре давление водяного пара примерно равно 12 кгс/см.
2
Если этот же объем воды подвергать указанному выше перемешиванию не 1 час, а 2 часа, то температура воды повысится примерно еще на 120°С и достигнет 250°С. Давление пара при этом станет равным примерно 25 кгс/см. И так далее.
Таким образом, регулируя время перемешивания воды, можно получать различные параметры воды и ее пара. В общем, эти параметры близки к таковым на известных геотермальных ТЭЦ, которые в настоящее время успешно эксплуатируются.
Конечно, есть предел возрастанию температуры воды, поскольку с ростом температуры будут опережающими темпами расти потери тепла в окружающую среду, величина которых в конце концов сравняется с величиной подводимой энергии и рост температуры воды прекратится.
Существует еще и экономический предел повышения температуры воды, когда становится экономически невыгодным дальнейшее ее повышение.
Предлагаемый заявкой фрагмент ВТЭС (далее - механический нагреватель или МН) схематически изображен на Фиг. 1 и Фиг. 2.
Фиг. 1 - вид сбоку МН: 1 - цилиндр; 2 - ротор; 3 - перфорированные лопатки, прикрепленные к поверхностям цилиндра или ротора.
Фиг. 2 - вид сверху МН. Обозначения те же.
Поясним, почему изображен только механический нагреватель.
Его устройство является отличительным признаком ВТЭС от известных ветроустановок, в которых энергия ветра преобразуется только в тепловую энергию.
Работает предлагаемый механический нагреватель следующим образом:
Вал Г присоединяют к ветроколесу без возможности проскальзывания, заполняют водой пространство между цилиндром и ротором и включают в работу ветроколесо.
Перфорированные лопатки, прикрепленные к ротору, проходя через толщу воды, турбулизуют ее и отдают воде свою энергию.
Отверстия в лопатках (перфорация) препятствуют захватыванию лопатками воды и приданию ей кругового вращения в ту же сторону, что и вращение ротора. Связано это с тем, что объемы воды, оказывающиеся на линии движения отверстий в лопатках, не вовлекаются в круговое движение, а остаются практически на месте, протекая сквозь отверстия. К тому же слои воды, находящиеся перед лопатками, отбрасываются лопатками ротора не только вперед, по направлению вращения ротора, но в значительной степени и в стороны. А когда струи воды, отходящие в стороны от лопаток ротора, попадают на лопатки цилиндра, остающиеся неподвижными, а также перфорированные, они очень быстро теряют свою энергию, передавая ее основной массе воды. Практически получается так, что вода в кольцевом пространстве между ротором и цилиндром не получает общего вращения в сторону вращения ротора, что увеличивало бы время нагревания воды. А если и получает, то скорость ее достигает лишь нескольких процентов от скорости движения лопаток и на общую картину работы установки не оказывает существенного влияния.
По направлению стрелки Б в цилиндр подают порции относительно холодной воды, а по направлению стрелки В производят отбор горячей воды и пара к потребителю.
Эффективность лопаток в части перемешивания воды зависит от степени перфорации, т.е. от отношения суммарной площади отверстий на лопатке ко всей площади лопатки. В настоящей заявке принята степень перфорации в пределах от 0,4 до 0,6, как наиболее эффективная.
Расчеты показывают, что если внезапно прекратить подачу воздушного потока через ветроколесо, то оно остановится через 2-2,5 оборота.
3
Равновесная линейная скорость вращения лопаток ротора на диаметре 9 м при его наружном диаметре 8 м и внутреннем диаметре цилиндра 10 м и при объеме воды в кольцевом пространстве 150 м равна около 2,5 м/с.
Это означает, что мощности ветроколеса 18000 кВт хватит только на разгон ротора до указанной скорости. При изменении скорости воздушного потока, а также при изменении параметров ветроустановки (мощности, объема воды, диаметров ротора и цилиндрической емкости) равновесная скорость будет уменьшаться или увеличиваться по довольно сложному закону, который не является предметом настоящей заявки.
Практическое применение ВТЭС - вместо тепловой электростанции или в качестве дополнения к ней.