АРКТИЧЕСКАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
ARCTIC WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования в качестве экологически чистого возобновляемого источника тепловой и электрической энергии в Арктике и других районах Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, отличающихся вечной мерзлотой, низкой температурой атмосферного воздуха и сильными ветрами.
В настоящее время для энергоснабжения различных объектов в указанных районах нашей страны, как правило, используются автономные источники энергии, работающие на невозобновляемом топливе: нефтепродуктах и каменном угле, небольшой мощности (до 1 МВт), преимущественно в виде дизельных электростанций (ДЭС) и отопительных котельных. По данным бывшего заместителя председателя Правительства РФ Дмитрия Рагозина (в ходе заседания Государственной комиссии по вопросам развития Арктики, состоявшемся 9 июня 2016 года в Новосибирске), топливо в труднодоступные районы Арктики доставляется летом в ходе так называемого «Северного завоза». При этом в рамках указанного завоза ежегодно доставляется 6-8 млн тонн нефтепродуктов и около 20-25 млн тонн каменного угля. В связи со слабой транспортной инфраструктурой, повышенными издержками и расходами стоимость топлива в некоторых районах удваивается и утраивается по сравнению с ценами производителей. На топливо и его завоз тратятся значительные бюджетные средства.
Общую сумму «значительных» бюджетных средств, выделяемых ежегодно государством на цели энергоснабжения Арктики и других районов Крайнего Севера и Дальнего Востока, Д.О. Рагозин, к сожалению, не сообщил, но эта сумма может быть определена в первом приближении, исходя из общеизвестных данных. Так, качественный каменный уголь в нашей стране стоит 4-6 тыс. рублей за тонну. Что касается нефтепродуктов, то в условиях Арктики, где температура может понижаться до минус 40-50°С (в Верхоянске - так называемом «полюсе холода» - еще ниже, до минус 68°С), поэтому из нефтепродуктов для целей энергоснабжения может использоваться только специальное морозостойкое арктическое дизельное топливо, стоимость которого на порядок выше стоимости каменного угля - т.е. порядка 50-70 тыс. рублей за тонну. Что касается, по словам Д. Рагозина: «слабой транспортной инфраструктуры в некоторых районах», то она в большинстве отдаленных районов Арктики или вообще не существует, или местами она и существует, но самая примитивная, пригодная для использования только зимой, когда вечная мерзлота превращается в камень.
С учетом изложенного, только на органическое топливо в рамках «Северного завоза» наше государство ежегодно расходует более 500 миллиардов рублей, хотя еще более ста лет назад наш выдающийся соотечественник Д.И. Менделеев утверждал: «Сжигать нефть - это все равно, что топить печь ассигнациями». Однако, несмотря на это, до сих пор Крайний Север во многих случаях вынуждены отапливать «ассигнациями» - дорогостоящим арктическим дизельным топливом.
Кроме огромных затрат, применение для указанных целей органического топлива, особенно мазута и каменного угля крайне нежелательно по экологическим соображениям. Поскольку при сжигании такого количества топлива, указанного Д. Рагозиным, 22,5 млн тонн угля выбрасывается в атмосферу Арктики ежегодно около 180000 млн метров кубических дымовых газов, содержащих 49,88 млн тонн углекислого газа, 5,32 млн тонн водяных паров, 722 тыс. тонн сернистого ангидрида, 199,5 тыс. тонн окислов азота, 4,15 млн тонн летучей золы. Такой выброс самым губительным образом действует на растительный и животный мир тундры.
Кроме того, существенным недостатком арктических тепловых генераторов (котлов), как правило, небольшой мощности, работающих на сравнительно дешевом твердом топливе - каменном угле, является: нерешенность проблемы автоматической подачи в топки котлов топлива и удаления из них шлака, а также необходимость содержания при этом специального персонала - кочегаров в условиях тяжелого и вредного для здоровья человека ручного труда [Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. - М.: Энергоатомиздат. 1989. - 488 с.].
Вместе с тем, как уже было указано выше, реальной альтернативой углю и мазуту в настоящее время может быть только дорогостоящее арктическое дизельное топливо, однако такая замена, не решая кардинально экологическую проблему, повысит и без того высокую стоимость «Северного завоза» еще в несколько раз.
Экологический ущерб при производстве энергии в Арктике может быть существенно уменьшен при применении в качестве топлива сжиженного природного газа (СПГ). Однако, в связи с тем, что температура СПГ составляет минус 161°С, его применение для указанных целей потребует коренной перестройки существующих средств доставки топлива, а также разработки и применения специальных (криогенных) устройств для длительного (в течение не менее года) хранения, подачи и сжигания СПГ в ДЭС и в топках отопительных котлов.
Для целей энергообеспечения объектов Арктики могут быть также использованы разработанные в последнее время атомные станции малой мощности (АСММ), но их применение непосредственно связано с решением проблемами безопасности этих установок, а также утилизации радиоактивных отходов, в том числе выработавших свой ресурс ядерных реакторов. Кстати, значительное количество которых затоплено в Карском и других морях Арктики, что крайне отрицательно влияет на экологию Севера, что неизбежно потребует их извлечения и полноценной утилизации в будущем.
Несмотря на то что атомной энергетике уже более 70 лет, однако крупнейшие катастрофы на АЭС с гибелью людей и с убытками в сотни миллиардов долларов происходят недопустимо часто, с учетом, разумеется, их масштабов. Причем эти катастрофы происходят в самых передовых в научном и техническом отношении странах мира: в США (Три-Майл-Айленд, 1979 г.) в СССР (Чернобыль, 1986 г.) и в Японии (Фукусима, 2011 г.). Эти катастрофы самым убедительным образом свидетельствуют о бессилии современной науки и техники гарантировать безопасность атомной энергетики, тем более - в условиях наличия у наших вероятных противников высокоточного оружия с особым электромагнитным эффектом (ЭМИ). Так что предсказать, чем обернется для Арктики установка в городе Певек плавучей АЭС «Академик Ломоносов», сложно, но, с нашей стороны, лучше было бы - ее там не ставить.
Анализ опыта использования известных генераторов тепловой и электрической энергии для решения энергетических проблем в Арктике, показал низкую приспособляемость, либо полную непригодность данной техники к применению ее в условиях Крайнего Севера. Кроме того, такая адаптация известных технологий связана, как правило, с огромными экономическими и недопустимо высокими экологическими потерями.
В настоящее время проживает в Арктике 2,5 миллионов человек. В ближайшие годы (в течение 15 лет) эта численность может увеличиться в несколько раз. Наша страна планирует реализовать в Арктике около 150 проектов, на сумму 5 триллионов рублей. Для этого, кроме денег, нужны квалифицированные кадры, которые будут работать на Крайнем Севере только в условиях, соответствующих современным стандартам жизни.
Поэтому неслучайно, что бывший Заместитель Председателя Правительства РФ Д.О. Рагозин, в ходе упомянутого выше заседания Государственной комиссии по вопросам развития Арктики, заявил, что «Арктическая зона обладает как существенным потенциалом, так и насущной потребностью в применении возобновляемых источников энергии, прежде всего энергии ветра, солнца, малых рек…» Таким образом, возобновляемая энергетика уже в ближайшем будущем превратится в один из ключевых факторов выполнения важнейшей государственной задачи - освоения Арктики и других районов Крайнего Севера с одновременным сохранением их растительного и животного мира, а также коренных народов этих районов нашей страны» [Рагозин Д.О. Северный полюс будет обустроен и заселен. - М: Парламентская газета №12. 2016. - 83 с.].
Для выполнения исключительно важной государственной программы - по освоению Арктики необходимы принципиально новые, экологически чистые генераторы тепловой и электрической энергии, работающие на возобновляемых энергоносителях, прежде всего - энергии ветра. Другие первичные возобновлемые источники энергии, в том числе и указанные Д. Рагозиным: солнечное излучение, гидроэнергия рек и приливов, тепло недр Земли - в условиях Арктики могут быть применены с крайне низким коэффициентом их использования.
Учитывая высокую скорость ветров в Арктике, а также их достаточно высокую стабильность, в том числе и независимость от времени суток и года, можно утверждать, что именно ветер является наиболее эффективным источником энергии в Арктике и других труднодоступных районах Крайнего Севера и Дальнего Востока. Потенциальные возможности использования ветра, для преобразования его в тепловую и электрическую энергию определяются, прежде всего, тем, что мощность воздушного потока N в кубе зависит от скорости ветра [Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 392 с.]:
где v - скорость ветра, ρ - плотность воздуха, S - ометаемая площадь.
Например, при скорости ветра в Арктике 40 м/с и температуре воздуха минус 40°С, мощность потока воздуха, площадью 1 м, составляет около 100 кВт. Однако известные энергетические установки - ветроэлектрические станции (ВЭС), предназначенные для выработки электроэнергии стандартного качества, используют потенциальную энергию ветра далеко не полностью (не выше 40-45%) и в настоящее время, как правило, с приведенными затратами, превышающими затраты на эти же цели тепловых станций, например ДЭС.
Для достижения сравнительно высокого коэффициента использования ветра известные ВЭС должны иметь в своем составе ряд дорогостоящих устройств: массивный бетонный фундамент, высокую прочную мачту (башню); рабочее ветроколесо с лопастями большого диаметра, систему поворота (изменения угла атаки) лопастей, тормозную систему; коробку передач (мультипликатор); электрический генератор с контактными кольцами (токособирателями); инвертор; выпрямители; аккумуляторы иди другие накопители электрической энергии, блок управления с системой автоматического поворота ветроколеса на ветер; систему молниезащиты и т.д.
Кроме того, ветродвигатели могут работать с высоким КПД только при заранее определенном соотношении скорости ветра и окружной скорости (оборотах) ветроколеса, то есть только при стабильном, при наперед заданным коэффициенте быстроходности [3], что достичь во всем диапазоне и постоянно меняющейся скорости ветра, используя известные технические решения, до последнего времени было практически невозможно.
Этот недостаток современной ветроэнергетики заявителю удалось решить за счет преобразования кинетической энергии ветра в тепловую и частично электрическую энергию, патенты РФ: Патент РФ №2231687 С1 27.06.2004, МПК F03D 9/00; Патент РФ №253040 С1, 27.05.2005, МПК F203D 9/00; Патент РФ №2576074 С1, 02.02.2016, МПК F03D 3/00; Патент РФ №2610164 С1, 08.02.2017, МПК F03D 9/22, Патент РФ №2688061 С1, 17.05.2019, МПК F03D 9/00) [4-8]. В указанных устройствах автоматически поддерживается оптимальное значение быстроходности ветроколеса ветродвигателя при изменении скорости ветра, что позволяет существенно повысить эффективность ветродвигателей (повысить коэффициент использования ветра и одновременно понизить капитальные затраты, в пересчете на киловатт установленной мощности) [3].
Фундаментальной и еще не до конца решенной проблемой современной ветроэнергетики, является проблема обеспечения живучести ветродвигателей в условиях воздействия сильных ветров, особенно в Арктике и Дальнем Востоке, где скорость ветра достигает 75 м/с. Хотя такие скорости бывают достаточно редко, надо учитывать то, что срок службы ветрогенераторов составляет 25-30 лет, а их отказ, в условиях бездорожья и необходимой для этого уникальной крановой техники, невозможно быстро устранить. В условиях сильных ветров и сверхнизких арктических температур без тепла могут погибнуть целые поселки в течение нескольких суток.
Но наиболее близким с заявленным изобретением по устройству, назначению и по живучести в условиях сильных арктических ветров с известным техническим решением следует считать - арктическую ветроэнергетическую установку (патент RU 2688061 С1) [8], содержащую фундамент, мачту, ортогональный ветродвигатель Дарье, электрический или тепловой генератор, работающий по принципу регулятора Уатта, что в последнем случае исключает необходимость применения сложного мультипликатора, инвертора и ряда других дорогих и малонадежных устройств. Одновременно это техническое решение не требует постоянной корректировки поворота ветроколеса ветродвигателя «на ветер» (навстречу ветру).
С учетом изложенного указанная ветроэнергетическая установка с ротором Дарье (патент RU 2688061 С1) принята в качестве наиболее близкого аналога - прототипа заявленному устройству.
Вместе с тем выбранному прототипу, несмотря на значительное увеличение прочности фундамента, присущ существенный недостаток - недостаточная устойчивость (низкая живучесть) в условиях сильных ветров Арктики, из-за недостаточной прочности растяжек, которые, как и фундамент, воспринимают не только силу ветра, но и вибрацию - переменные по величине и направлению силы ускорения лопастей ротора Дарье. С учетом изложенного наиболее слабым местом прототипа является устройство крепления растяжек к вечномерзлому грунту, который при обычных условиях, особенно летом существенно (в несколько раз) снижает свои прочностные характеристики при повышении температуры.
Давление ветра, опрокидывающая нагрузка, действующая на растяжки ветроэнергетической установки с ротором Дарье, прямо пропорционально массовой плотности воздуха, наветренной поверхности всей установки и квадрату скорости ветра [3]:
х
где С - коэффициент сопротивления, учитывающий обтекание поверхности ветроустановки, зависит от ее формы;
ρ - плотность воздуха;
F - поверхность ветроэнергетической установки в направлении ветра;
v
- скорость ветра.
В условиях Арктики опрокидывающая нагрузка, действующая на фундамент, и растяжки ветроэнергетической установки могут достигать огромных значений. Например, опрокидывающая нагрузка на ветроэнергетическую установку мегаваттного класса, с диаметром ветротурбины около 100 м, может превышать более 10000 тыс. тонн. При таком воздействии очень сложно обеспечить живучесть ветроэнергетической установки только за счет прочности ее фундамента.
Для этих целей необходимо дополнительно разработать и применить на практике особо прочные растяжки ротора Дарье, входящего в состав арктической ветроэнергетической установки, Прежде всего, необходимо обеспечить прочность крепления растяжек в вечномерзлому льдонасыщенному грунту.
Деградация мерзлых пород и вибрация ветроэнергетической установки приводит к резким изменениям условий функционирования ее растяжек, поскольку прочностные и деформационные свойства грунта очень существенно (в разы) зависят от его температуры [Г.Р. Жуковский. Океанография. Л.-М.: Издательство водного транспорта. 1953. - 412 с.].
До последнего времени этот недостаток арктических ветроустановок устраняется за счет применения особо прочного бетонного основания на каждую растяжку, или общего бетонного фундамента под всю установку. Но в последнем случае фундамент получался слишком больших размеров, к тому еще расположенным (с заглублением) значительно ниже глубины оттаивания грунтов, что существенно удорожало строительство. Применение бетонных оснований под ветроустновки делало ветрогенерацию в Арктике не конкурентоспособной по отношению к теплогенерации (см. газету «Энергетика и промышленность России», №01-02 [333-334]. - М.: изд. ЭПР, 2018, стр. 10).
В связи с изложенным, проблема обеспечения живучести ветроэнергетических устройств, в том числе устойчивости и прочности крепления их растяжек в вечномерзлых грунтах в условиях опрокидывающего воздействия арктических ветров требует новых нестандартных решений, позволяющих отказаться от громоздких и дорогих бетонных конструкций, заменив их легкими и прочими конструкциями.
Указанный технический результат достигается за счет выполнения крепления к вечно мерзлому грунту растяжек арктической ветроэнергетической установки, содержащей фундамент, мачту с растяжками, ветродвигатель Дарье, преобразователи и накопители энергии, отличающаяся тем, что крепление каждой растяжки к вечномерзлому грунту представляет собой термосифон, содержащий испаритель в виде в виде скважины, расположенной в вечной мерзлоте, частично заполненной легкокипящей жидкостью, например аммиаком, и конденсатор, расположенный в атмосферном воздухе, в виде трубчатого теплообменника, герметически присоединенного к верхнему торцу скважины.
Устройство работает следующим образом: в холодное время года, когда температура атмосферного воздуха понижается значительно ниже температуры грунта, в котором расположены скважины, в конденсаторе происходит охлаждение и конденсация насыщенных паров легкокипящей жидкости (теплоносителя), и теплоноситель в виде жидкости под собственным весом опускается в скважины (испарители), имеющие более высокую температуру, минус 4-8°С, чем температура атмосферного воздуха, которая в холодное время года может понижаться в Арктике до минус 40°С и ниже. В скважинах легкокипящая жидкость (теплоноситель) нагревается и превращается в пар, охлаждая стенки скважин и грунт, где они расположены. Пар поднимется вверх в трубчатый конденсатор устройства, где он снова охлаждается, конденсируется и в виде жидкости стекает вниз, в скважины (испарители). Этот процесс идет непрерывно до тех пор, пока температура вечномерзлого грунта и температура атмосферного воздуха не станут равными. Данное устройство позволяет в условиях Арктики понизить температуру и одновременно повысить в несколько раз прочность вечномерзлого грунта [8], и расположенного в нем крепления растяжек арктической ветроэнергетической установки, за счет гравитационных сил и естественных теплообменных процессов в природе. При этом отпадает необходимость строительства массивного и дорогого бетонного фундамента в вечномерзлом грунте для крепления растяжек.
Новым в заявляемом изобретении является крепление каждой растяжки ветроустановки к вечномерзлому грунту посредством конструкции, работающей по принципу термосифона. Данное изобретение позволяет понижать температуру вечномерзлого грунта с повышением его прочности, одновременно повышая прочность растяжек и живучесть ветроэнергетической установки в целом за счет низкой температуры атмосферного воздуха в Арктике.
Устройство технологично, просто в изготовлении и применимо в условиях вечномерзлых грунтов труднодоступных районов Арктики. Оно позволит решить проблему не только энергоснабжения этого важнейшего для будущего района нашей страны, сократив на сотни миллиардов рублей так называемый ежегодный «Северный завоз» органического топлива, но и одновременно решить экологическую проблему, с которой непосредственно связанно будущее коренных народов Крайнего Севера.
Заявляемая арктическая ветроэнергетическая установка поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен ее вид сбоку всей арктической ветроэнергетической установки, на фиг. 2 показано устройство крепления ее растяжки к вечномерзлому грунту.
Ветроэнергетическая установка представляет собой ротор Дарье (турбину Дарье) 1 на опорной мачте 2, расположенной вертикально, перпендикулярно потоку воздуха. Данное устройство предложено в 1931 году авиаконструктором Жоржем Дарье. В настоящее время ротор Дарье за рубежом, кроме нашей страны, нашел широкое применение в ветроэнергетике, особенно в арктических районах, поскольку он более устойчив, по сравнению с другими устройствами аналогичного назначения, в условиях сильных порывов ветра.
Ротор Дарье 1 соединен валом с генератором энергии 4, который размещен на трубчатом основании 5, которое расположено на скважинах 6, пробуренных в арктическом вечномерзлом грунте 8. Скважины 6 частично заполнены легкокипящей жидкостью 7, например, жидким аммиаком или фреоном. Скважины 6 (испаритель термосифона) и трубчатое основание мачты 5 (конденсатор термосифона) для более эффективного теплообмена и выхолаживания арктического вечномерзлого грунта 8, до их заправки аммиаком 7 вакуумируют.
Ветер, воздействуя на арктическую ветроэнергетическую установку, вращает ротор Дарье 1 и генератор энергии 4, который может быть электрическим, тепловым или комбинированным, в зависимости от конкретных условий применения заявленной установки. Полученная энергия передается потребителям. Возникающие при работе арктической ветроэнергетической установки опрокидывающие и вибрационные нагрузки передаются через трубчатое основание мачты 5, на скважины 6 и арктический вечномерзлый грунт 8, температура которого в обычном состоянии примерно на порядок выше, чем температура арктического воздуха в холодное время года. При сравнительно высокой температуре (минус 4-8°С) жидкий аммиак 7 в скважинах 6 (испарителях) превращается в газ, который за счет гравитационных сил поднимается вверх в трубчатое основание 5 мачты (конденсатор), где этот газ, под воздействием низкой температуры атмосферного воздуха (минус 30-40°С) конденсируется и превращается в жидкость, которая и под собственном весом стекает обратно в скважины 6 (испарители), где жидкий аммиак 7 снова нагревается и превращается в газ. Далее процесс повторяется до тех пор, пока температура арктического грунта 8 не понизится до температуры арктического воздуха, то есть, от минус 4-8°С до минус 30-40°С. При этом существенно (примерно, во столько же раз) повышается прочность арктического вечномерзлого грунта 8, скважин 6 и других элементов фундамента, входящих в состав заявленной арктической ветроэнергетической установки.
Устойчивость (живучесть) арктической ветроэнергетической установки существенно повышается также за счет использования настоящего изобретения, предусматривающего особо прочные растяжки 3, (фиг. 2), каждая из которых отличается высокой прочностью, за счет присоединения ее к вечномерзлому грунту 8 посредством термосифона, в виде трубчатого теплообменника-конденсатора 9 и испарителя, заглубленной в вечномерзлый грунт стальной герметичной скважины 10, верхний конец которой переходит в испаритель термосифона. Для более эффективной работы термосифон перед заправкой его легкокипящей жидкостью 11 вакуумируют.
В настоящее время для обычных условий эксплуатации разработаны ветроэнергетические установки, мощностью в несколько мегаватт [3], но в суровых условиях Арктики наиболее оптимальны, по условиям живучести и приведенным затратам, являются сравнительно небольшие специальные арктические ветроэнергетические установки, мощностью 100-200 кВт, причем оснащенные ортогональными ветродвигателями типа Дарье. Такие установки сравнительно просто доставить в самые труднодоступные районы Арктики в собранном виде посредством дирижаблей.
Если мощности одной ветроустановки будет недостаточно, для решения поставленной задачи, то в этом случае целесообразно использовать несколько таких установок, объединив их в арктический ветропарк.