Альтернативные источники энергии. (Грани нетрадиционной энергетики.) - Экология - Скачать бесплатно
ныне небезопасные радиоизотопные источники.
СКЭС будут работать по накопительной схеме. Солнечная энергия,
переводимая в электрическую, собирается в аккумуляторах или конденсаторах,
а затем передается потребителю в виде СВЧ-энергии за те 7 - 8 минут, пока
станция пролетает в пределах прямой видимости.
На следующем этапе - в 2015 - 2030 годы получит дальнейшее развитие
система ночного освещения земных населенных пунктов “космическим“
электричеством. Откроется возможность подачи его в районы стихийны
бедствий, где нарушено энергоснабжение. Предполагаются испытания первых
транспортных средств (скажем, самолётов), которые будут получать энергию
непосредственно из космоса.
Наконец, после 2030 г. можно ожидать заметного повышения мощности
лунной базы. И со временем она сможет полностью обеспечивать энергией всю
нашу планету.
И ПЛЮСЫ, И МИНУСЫ .
Журналистов, присутствовавших на пресс-конференции, интересовало: а
не повлияют ли пагубно на все живое предлагаемые способы передачи энергии
из космоса мощнейшими пучками энергии?
Академик А-С-Коротеев пояснил, что ученые рассматривают два варианта
передачи энергии - по лазерному или СВЧ-пучу. Японские исследователи отдают
предпочтение первому, наши - второму. КПД лазерных систем в лучшем случае
составляет 15 - 20%, а СВЧ-систем - до 90%. К тому же производство лазеров
технологически сложнее.
Правда, СВЧ-пуч порождает в атмосфере ионизированные каналы, но ведь
от ионизации можно получать и пользу, например, выжигая фреон в ионосфере и
тем самым уменьшая «парниковый» эффект.
Что же касается вредного воздействия излучения на нижние слои атмосферы и
непосредственно на поверхность планеты, то специалисты надеются свести его
к минимуму. Можно до биться, что ионизированные каналы будут очень
небольших диаметров, а луч точно нацелен на приемные антенны. Интенсивность
же излучения за пределами канала резко уменьшается. В целом негативные
последствия применения новой энергетической системы будут куда меньшими,
чем, скажем, от воздействия нынешних тепловых электростанций.
В космическую систему энергоснабжения предполагается включить и ныне
существующие гидроэлектростанции, в том числе приливные. Но не станут
передавать энергию по проводам, как это делается сейчас, а через антенны
будут переправлять ее в космос, а уж оттуда, с помощью ретрансляторов, к
наземным потребителям. Таким образом специалисты надеются существенно
сократить потери электроэнергии при ее передаче, которые ныне составляют
около 30% !
Вдумайтесь в эту цифру. Даже ее сокращение позволит серьезно
уменьшить и затраты и вредное воздействие современных энергокомплексов на
природу.
Пожиратель ветра.
На первый взгляд ветер кажется самым доступным из возобновляемых источников
энергии. В самом деле: не в пример Солнцу, он вполне "работоспособен" на
юге и на севере, зимой и летом, днем и ночью, в дождь и туман. Однако на
этом все достоинства и кончаются; дальше, увы, - сплошные недостатки...
Прежде всего, это очень рассеянный энергоресурс. Природа не собрала ветры в
каких-то отдельных "месторождениях", подобно горючим ископаемым. И не
пустила их течь по руслам, подобно рекам. Всякая движущаяся воздушная масса
"размазана" по огромной территории. Правда, рассеянность, малая
концентрация характерна и для солнечной энергии. Но с ветром еще хуже. Его
основные параметры - скорость и направление - меняются гораздо быстрее, в
более широких пределах и совершенно непредсказуемо. В итоге по надежности
он почти везде уступает Солнцу. Отсюда и вытекают две главные проблемы
проектирования ветроэнергетических установок (ВЭУ).
Во-первых, с учетом рассеянности ветра стремятся "снимать" его кинетическую
энергию с максимальной площади. Что имеется в виду? Для ВЭУ обычной
конструкции (ветровое колесо на горизонтальной оси) - это площадь круга,
который описывают лопасти при вращении; у специалистов она называется
сметаемой площадью (ОГО. Отсюда вроде бы следует, что диаметр колеса (длину
лопастей) надо всячески наращивать. И действительно: известны проекты
гигантских ВЭУ с диаметром ветроколеса до 120 м. Но для таких габаритов
сильные ветры, в принципе более "выгодные", становятся уже нежелательными -
из соображений безопасной эксплуатации. К тому же, рассчитывая прочность,
тут приходится дополнительно страховаться даже от маловероятных ураганных
порывов и тем еще больше перетяжелять громоздкую конструкцию. Путь явно
тупиковый.
Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока
на лопастях. Ведь в конечном счете качество электроэнергии, вырабатываемой
ВЭУ, определяется именно стабильностью момента вращения и угловой скорости
на валу ее генератора. Но если предыдущая проблема решается хотя бы до
известного предела, то эта пока не решается никак.
Общий вывод, видимо, ясен: нужна установка принципиально новой конструкции.
Нащупать подходы к ней помогут несложные математические изыскания.
Посмотрим, от каких основных параметров зависит энергетическая
эффективность ВЭУ.
Как известно, кинетическая энергия движущегося тела
W = mV 2 / 2 .
Если речь идет о воздушном потоке, то V, естественно, и есть его скорость.
С массой m чуть сложнее. В данном случае берется масса объема воздуха,
проходящего через ОП в единицу времени. Значит,
m = pSV,
где р - плотность воздуха, S - ОП, V - та же скорость ветра. И тогда
исходное выражение принимает вид
W = рSV 3 / 2 .
Это величина энергии в единицу времени, по сути - мощность. Итак, значение
W определяется двумя переменными - S и V. Как в принципе можно ее
увеличить? Если за счет S, то прийдется смириться с неизбежным ростом
габаритов и массы ВЭУ (см. выше).
[pic]
Цифрами обозначены: 1 - направление ветра; 2 - воздухозаборное устройство;
3 - входные воздуховоды; 4 - конфузор; 5 - серводвигатель поворота; 6 -
поворотный круг; 7 - диаметр ВУ; в - устройство сброса; 9 - отводящие
воздуховоды; 10 -диффузор; 11 - рабочий канал; 12 - электрогенератор, 13 -
турбина.
Но из полученной формулы виден и другой порок такого "лобовного" подхода:
ОТ связана с площадью 3 прямо пропорционально, линейно. Зато влияние
скорости V гораздо сильнее - зависимость тут уже кубическая. Насколько
важна эта разница, поясним на примере.
Допустим, нам удалось каким-то путем удвоить величину V. Понятно, что
мощность воздушного потока на лопастях возрастет в 8 раз. И если теперь мы
решим сохранить прежнюю мощность установки, то сможем соответственно
уменьшить ОП ветрового колеса. Тогда его диаметр (то есть, в первом
приближении, и остальные линейные размеры ВЭУ) сократился бы в ( 8 = 2,83
раза. Если же сумеем увеличить V втрое, выиграем в габаритах более чем в 5
раз ( (27), ит.д.
Что ж, ускорить ветер в принципе нетрудно: нужно загнать его в некое
подобие аэродинамической трубы, попросту говоря - в сужающийся канал. В
нем, как известно, скорость потока растет обратно пропорционально площади
сечения. А общий коэффициент ускорения равен отношению площадей входного и
выходного отверстий. Даже для обычных ВЭУ уже разработаны подобные
устройства - так называемые конфузоры, или дефлекторы. Смысл их применения
в том, что они собирают ветер с гораздо большей площади, чем ОП.
Но почему, ступив на верный путь, конструкторы не пошли по нему дальше?
Сделаем входное сечение конфузара переменным - и сразу решим ту,
"нерешаемую", проблему - поддержания постоянной скорости потока на лопастях
независимо от капризов ветра! Проще всего тут применить поворотное
воздухозаборное устройство (ВУ). Легко понять, что его эффективное сечение
максимально в направлении "фордевинд" и уменьшается при отклонении в любую
сторону. Причем такое ВУ способно ловить ветер со всех румбов, и потому
остальные элементы можно сделать неподвижными, да и смонтировать прямо на
земле, что гораздо удобнее.
Так родилась у автора конструкция установки, изображенная на схеме (патент
РФ М9 1783-144). Главное ее отличие - мощный "ветроускоритель": ряд
воздуховодов с полноповоротными ВУ на концах, сходящихся в общий конфузор и
далее в рабочий канал. Каких же скоростей достигает там воздушный поток?
Ясно, что это зависит от отношения двух величин: суммарного эффективного
сечения всех ВУ на входе и сечения рабочего канала - на выходе. Пусть
диаметр одного ВУ всего втрое превышает диаметр канала, а площадь
соответственно - в девять раз. Тогда, скажем, при пяти ВУ общий коэффициент
ускорения равен 45. Правда, мы не учли турбулизацию воздушных потоков в
системе и ее общее аэродинамическое сопротивление, но для первичной оценки
такой расчет правомерен. А это значит, что самый обычный, умеренный ветер
(5 м/с) порождает в канале сверхураган в 225 м/с! Напомним, что по шкале Б
офорта ураганным считается ветер с жалкой скоростью -12 м/с...
Выходит, обычное ветровое колесо тут уже не годится: его лопасти просто не
выдержат такого напора. Нужна настоящая турбина, с лопатками иной формы,
гораздо меньшего размаха и более прочными - короче, типа авиационной.
Кстати, подобное устройство намного эффективнее использует аэродинамическую
энергию воздушного потока. А здесь к тому же он ограничен стенками рабочего
канала, сечение которого почти полностью перекрыто лопатками. В результате
общий КПД установки должен заметно возрасти по сравнению с обычной,
горизонтально-осевой.
Не забудем только, что аэродинамический поток, вырвавшийся из турбинного
канала, надо снова затормозить. Эту обратную задачу выполняет система,
зеркально отображающая входную: диффузор ("расширитель") и воздуховоды с
устройствами сброса (УС) на концах. Конструкции ВУ и УС опять-таки
одинаковы. Единственное отличие - диаметры элементов отводящей системы
должны быть больше, чем у их входных аналогов, чтобы обеспечить эффективный
перепад давлений.
Скорость потока в турбинном канале регулируется простым вращением ВУ. При
слабом ветре воздухозаборники ориентируются "лицом" к нему, а по мере
усиления все больше отворачиваются, если это нужно. Устройства сброса,
естественно, всегда направлены "спиной" к ветру. Координируют работу всех
ВУ и УС микропроцессорные блоки контроля и управления их электроприводами,
датчик направления ветра и центральный процессор с зашитой в нем
программой. Режим регулирования вполне может быть не плавным, а дискретным,
прорывным, что упростит систему управления.
...Но, пожалуй, описанная ВЭУ в целом кажется отнюдь не дешевой. Есть ли
смысл городить все эти громоздкие воздуховоды? Что ж, полученная нами
формула мощности W позволяет сравнить абсолютные энергетические показатели
старого и нового вариантов. Зададимся плотностью воздуха на уровне моря р =
1,2 кг/куб.м и скоростью ветра V = 5 м/с.
Для первого варианта возьмем предельный диаметр ветрового колеса -
-120 м, что дает площадь 3 (ОП) чуть больше 11 000 кв.м. Подставив эти
данные в формулу, получим мощность ветрового потока всего 0,8 МВт.
Для новой ВЭУ используем нашу оценку скорости V в рабочем канале (около 200
м/с) и зададимся скромной величиной ОП турбины - 10 кв.м. Аналогичный
показатель составит 48 МВт! Энергетическое преимущество настолько явное,
что дополнительные затраты (если они вообще понадобятся) должны окупиться.
Разумеется, в обоих вариантах, с учетом различных потерь, электрогенераторы
утилизуют далеко не всю аэродинамическую мощность. Но и здесь, как мы
убедились, новая ВЭУ должна иметь преимущество - более высокий КПД.
Как показывают простейшие расчеты, стоит поставить несколько лишних ВУ да
немного увеличить их диаметр - и мы быстро подойдем к пределу возможностей
даже авиационных турбин. То есть данное условие само по себе определяет
число и размеры ВУ проектируемой установки вряд ли больше 10. Правда, тут
важен и еще один фактор
- среднегодовая скорость ветра в данном районе, его, так сказать, ветрообе-
спеченность. Если этот показатель меньше тех же 5 м/с, то для стабильной
работы генератора может понадобиться и более 10 воздуховодов. Чтобы оценить
целесообразность такого решения, понадобятся, конечно, детальные
исследования и расчеты, в том числе экономические. Но даже наши
приближенные оценки говорят, что подумать есть над чем...
|
