Ветроэнергетическая установка

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэлектрогенераторам. Технический результат заключается в обеспечении непрерывной работы ветроэнергетической установки. Ветроэнергетическая установка, включающая электрогенераторы, согласно изобретению выполнена в виде сети проточных трубопроводов с герметичными задвижками и датчиками давления, при этом концы установки размещены в областях с разным атмосферным давлением, причем длина трубопровода и его диаметр удовлетворяют следующему соотношению: 1 табл.

 

Изобретение относится к устройствам по использованию восполнимых источников энергии, а более конкретно к использованию ветровых электрогенераторов.

Использование перемещения воздушных потоков известно с давних времен (мельницы) и используется сегодня для выработки электроэнергии при помощи ветровых электростанций [1, 2, 3]. Мощность современных ветровых электростанций достигает 2,5 МВт, и при длине лопастей турбины в 37,5 м они могут работать при скоростях ветра от 3 м/сек до 25 м/сек [4]. Недостатком этих устройств является периодичность работы, связанная с локальными погодными условиями и скоростью ветра в месте расположения станции. Наиболее близким к заявляемому является установка, описанная в [4] и представляющая из себя ветровую электростанцию, включающую электрогенератор с турбиной, установленной на несущей опоре, однако она тоже не обеспечивает работу в непрерывном режиме.

Задачей изобретения является обеспечение непрерывной работы ветроэнергетической установки.

Поставленная задача достигается тем, что ветроэнергетическая установка, включающая электрогенераторы, согласно изобретению выполнена в виде сети проточных трубопроводов с герметичными задвижками и датчиками давления, при этом концы установки размещены в областях с разным атмосферным давлением, а длина трубопровода L и его диаметр D обеспечивают поток воздуха в трубопроводе со средней скоростью v_ср, необходимой для работы размещаемых в трубопроводе электрогенераторов, и удовлетворяют следующему соотношению:

где D - диаметр трубопровода;

L - длина трубопровода, соединяющего участки с разным атмосферным давлением,

Δ Р - разность атмосферного давления на открываемых на атмосферу участках трубопровода;

ρ - плотность среды (для воздуха ρ =1,2 кг/м³);

λ =λ (v) - коэффициент трения;

v_ср - средняя скорость потока воздуха, необходимая для работы электрогенератора.

Используя природные условия атмосферы планеты Земля - прохождение циклонов и антициклонов, наличие стационарных зон с разным атмосферным давлением на одном уровне, предлагается направить поток воздуха по трубопроводу из областей с высоким атмосферным давлением в области с низким давлением и тем самым обеспечить его непрерывный проток в трубопроводе.

Поток воздуха в трубопроводе способен производить работу, например приводить в движение размещенные заранее в трубопроводе турбины генераторов для выработки электроэнергии, перемещать грузы и т.д. Используя системы фильтрования, такой трубопровод можно использовать для очистки воздуха от вредных примесей и для получения воды. Таким образом, предлагается экологически чистое устройство по использованию восполнимых источников энергии.

Стандартное атмосферное давление на уровне моря составляет 101325 Па, однако оно сильно колеблется от 88000 до 108000 Па (Δ ρ _extr≈20000 Па ≈ 200 мбар) и зависит как от времени, так и от места. Кроме того, на Земле существуют стационарные области пониженного и повышенного давления (широтные изменения), которые определяют основные направления перемещения воздушных масс на планете [5]. Если соединить трубопроводом места с пониженным давлением с местами повышенного давления, то за счет перепада давления на концах трубопровода в нем естественным образом возникнет поток воздуха из областей с высоким атмосферным давлением в области с пониженным атмосферным давлением. Создание сети трубопроводов с герметичными задвижками и датчиками давления, информацию с которых можно будет использовать для управления направлением воздушных потоков, позволит эффективно использовать как широтные зоны, так и области перемещения циклонов и антициклонов для создания непрерывного воздушного потока в трубопроводе и использования его для выработки электроэнергии или перемещения грузов.

Оценим скорость потока воздуха в трубопроводе длиной L и диаметром D при перепаде давления Δ Р=Р₁-Р₂ на концах трубопровода. Объемный расход воздуха через трубопровод длиной L и диаметром D определяется из уравнения Пуазейля:

а среднюю скорость воздушного потока можно определить из выражения

где S - площадь сечения трубопровода, a η - коэффициент динамической вязкости среды, для воздуха η =2× 10^-5 Па/сек.

Зададимся скоростью воздушного потока в трубопроводе v_ср=10 м/сек, длину трубопровода L выберем равной 3000 км (оценка длины трубопровода из точки с широтой 30° - область с высоким давлением в точку 60° - область низкого давления дает L ≈ 2π R₃/12≈ 3200 км).

Оценим по формуле Пуазейля диаметр такого трубопровода D при разности давлений на концах трубопровода 10-15 мбар

Однако формула Пуазейля работает при ламинарном движении, когда число Рейнольдса Re<Re_крит=1160. Число Рейнольдса определяется из соотношения

где ρ - плотность среды (для воздуха ρ =1,2 кг/м³).

При числе Re>Re_крит для определения величины скорости пользуются соотношением

где λ =λ (v) - коэффициент трения. Коэффициент трения определяется как функция двух независимых переменных

где δ _ср=δ /D - относительная шероховатость трубы. Значение коэффициента трения принимается в расчетах предварительно. Вычислив с учетом заданного значения коэффициента трения среднюю скорость потока v_ср, определяют значение числа Re, а затем по справочным данным [5] уточняют коэффициент трения λ . Уточненное значение λ используют для уточнения средней скорости.

Из сравнения формул (1) и (5) видно, что в случаях, когда Re>R_крит, зависимость средней скорости потока воздуха от диаметра трубопровода становится слабой, и для сохранения величины средней скорости потока при заданной длине трубопровода необходимо значительно увеличивать его диаметр. Длина лопастей турбин современных ветровых станций значительно превосходит размер 3,1 м, полученного из (3). Так, например, длина лопасти турбины l_т ветровой электростанции SUDW1ND S-77/1,5MW фирмы NOR-DEX мощностью 1,5 МВт достигает 37,5 м [4].

Воспользуемся формулой (4) и оценим скорость потока в трубе диаметром D=100 м ~2l_т и длиной L при изменениях давления на концах трубопровода от 10 до 200 мбар. В вычислениях будем считать, что труба имеет гладкие стены, т.е. пренебрежем шероховатостью трубопровода.

Результаты вычислений средней скорости потока воздуха для разных длин трубопровода при разности давлений Δ Р=10-200 мбар приведены в таблице.

Таблица.
L, км	500	1000	3000
vср, м/сек	6,9-33,3	4,6-23,6	2,6-12,6

Величины средней скорости воздушного потока в трубе диаметром D=100 м и длиной до 3000 км, полученные в результате оценок, соответствуют рабочим условиям современных ветровых электростанций.

Таким образом, предлагается устройство, позволяющее эффективно использовать перемещение воздушных потоков для получения электроэнергии при помощи ветровых электрогенераторов. Показана возможность выработки электроэнергии размещенными в трубе современными ветровыми электрогенераторами при перемещении в ней воздушных масс за счет естественной разницы атмосферного давления.

Направленный поток воздуха в трубопроводе можно использовать для перемещения грузов из областей с повышенным давлением в области пониженного давления. Используя системы фильтрования, такой трубопровод можно использовать для очистки воздуха от вредных примесей, а возможность конденсировать воду из воздуха, проходящего по трубопроводу, позволит получать пресную воду.

Литература

1. Golding E.W., Harris R I. The generation of electricity by wind power. London E. And F. N. Spon, New Jork, Halsted Press Bock, John Willey and Song, 1977.

2. Ветроэнергетика Под. ред. Д. де Рензо: Пер. с англ. В.В.Зубарева и М.О.Фракфурт. М.: Энергоатомиздат, 1982.

3. Ветроэнергетические установки за рубежом (состояние и перспективы развития): Аналитическая справка ВНИИ информ. и техн. экон. исслед. в электротехнике (Информэлектро), ИЗАНА-Центр. изд-во, аналитика. М., 1990.

4. Проспект фирмы NORDEX 2001 г. (http://www.nordex.de).

5. Handbook of Geophysics and Space Environments. Scientific Editor Shea L. Valley. Air Force Cambridge Research Laboratories. McGRAW-HILL BOOK COMPANY, INC New York, San Francisco, Toronto, London, Sydney, 1965.

6. Идельчик И.E. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Государственное Энергетическое Издательство, М.-Л., 1960.

Ветроэнергетическая установка, включающая электрогенераторы, отличающаяся тем, что установка выполнена в виде сети проточных трубопроводов с герметичными задвижками и датчиками давления, при этом концы установки размещены в областях с разным атмосферным давлением, а длина трубопровода L и его диаметр D обеспечивают поток воздуха в трубопроводе со средней скоростью V_ср, необходимой для работы размещаемых в трубопроводе электрогенераторов, и удовлетворяют следующему соотношению:

где D - диаметр трубопровода;

L - длина трубопровода, соединяющего участки с разным атмосферным давлением;

ΔР - разность атмосферного давления на открываемых на атмосферу участках трубопровода;

ρ - плотность среды (для воздуха ρ= 1,2 кг/м³);

λ=λ(v) - коэффициент трения;

v_ср - средняя скорость потока воздуха, необходимая для работы электрогенератора.