Одна из проблем ветроэнергетики заключается в слабом среднестатистическом ветре, из-за которого турбины большую часть времени работают не на полную мощность. И как выяснилось, существуют жизнеспособные концепции, позволяющие не только увеличить воздушный поток перед ветряками, но и сделать его регулируемым.

Под катом всевозможные детали одного проекта с расчетами и небольшим экспериментом.

/* На этот концепт я наткнулась, перелопачивая проекты текущих участников нашего акселератора Архипелаг 2022. Собственно, часть предыдущих постов также сделана по мотивам заявок на Архипелаг. Среди этих самых заявок есть проходные проекты, не представляющие особого интереса идеей или масштабом. Но есть много интересных. Например, мы писали про очистку Черного моря от сероводорода с водородной электростанцией, грузовой БПЛА с газодинамической системой управления, электрохимический газовый генератор. Вот теперь промышленный усилитель ветра. */

Сколько можно выжать из ветра?

Если брать в рассмотрение всю энергию ветра в зоне установки ветрогенератора, эффективность ее преобразования в электричество изначально ограничена законом Беца — долей в 16/27 от кинетической энергии ветра, достигающего турбины. 

Проблема в том, что если у ветра забрать всю энергию, воздушный поток остановится. Остановившийся поток не сможет вращать лопасти турбины.

Нужен оптимальный баланс. Из прочего надо учитывать потери в редукторе и генераторе. Итого в теории мы получим что-то около 50%. Вот за ними все и гонятся.

Традиционный способ повысить эффективность работы турбин — увеличить рабочие диаметры роторов или высоту башен. В первом случае растет поперечное сечение воздушного потока, участвующего в раскручивании ротора: турбина «захватывает» больше энергии ветра и, соответственно, преобразует ее в большую электроэнергию.

Во втором — при увеличении высоты размещения ротора повышается усредненная скорость вращения. Скорость ветра на больших высотах, как правило, больше, поэтому та же турбина при прочих равных даст больше энергии.

Инженеры в основном работают в рамках этого подхода. Однако он имеет очевидные ограничения: увеличение роторов и высоты мачт — это кратный рост стоимости производства и обслуживания.

Есть альтернативный подход — каким-то образом управлять свободным потоком воздуха и «фокусировать» его энергию на турбине. Группа профессора Владимира Санникова пошла как раз вторым путем и предложила конструкцию, ускоряющую воздушный поток непосредственно перед турбиной.

Подобные идеи уже воплощали в жизнь в виде разного рода конфузоров — стационарных устройств, которые сужают и фокусируют воздушный поток перед турбиной. Однако из-за высокого аэродинамического сопротивления стационарных конфузоров их монтаж на турбинах не окупается. Проекты, начавшиеся как эксперимент еще 10–15 лет назад, так и не вышли на стадию коммерческой эксплуатации.

Но есть альтернативные варианты. Дальше речь пойдет о конфузоре в виде башен с вращающимися «стенками» — это должно повысить эффективность достаточно, чтобы сделать устройство коммерчески интересным.

Как это работает

Принцип действия усилителя построен на отклонении и ускорении потока воздуха при обтекании тел. В открытом потоке невозможно существенно ускорить ветер неподвижным раструбом, поэтому для формирования потока группа Санникова предложила использовать вращающиеся тела— цилиндры. 

Вокруг ветряной турбины устанавливают несколько таких вертикальных цилиндров, которыми управляет автоматизированная система. Конфигурация цилиндров совпадает с поверхностью тока свободного потока воздуха, за счет чего аэродинамическое сопротивление меньше, чем у упоминавшихся выше стационарных конфузоров. 

И чем выше скорость вращения цилиндров, тем меньше сопротивление.

Группа предложила два варианта размещения. В первом четыре цилиндра монтируют на неподвижных бетонных башнях вокруг турбины: 

В зависимости от направления ветра автоматизированная система регулирует скорость и направление вращения цилиндров, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы установки.

Вот как выглядит внутреннее устройство цилиндров, опирающихся на неподвижную башню за счет внутреннего силового набора (через подшипники):

Во втором варианте размещения монтируют только два цилиндра — с двух сторон от турбины. Но устанавливают их на подвижную платформу, которая поворачивается по ветру вместе с турбиной.

Выбор между первым и вторым вариантом зависит от конструкции, габаритов и мощности самой турбины, а оптимальный вариант рассчитывают индивидуально.

Вращение цилиндрам в обоих вариантах конструкции обеспечивают электромоторы. Скорость и направление вращения регулирует система управления в зависимости от силы и направления ветра. 

Задача такого управления — вне зависимости от погоды увеличивать скорость ветра перед турбиной до той, на которой генерация электроэнергии будет максимальной.

Конструкция позволяет усилить скорость ветра так, что производительность турбины, размещенной за усилителем, вырастает до 8–15 раз (зависимость мощности от скорости ветра — кубическая). В теории конструкция должна еще и «сглаживать пики» скорости ветра по заданному направлению. В итоге турбина все время будет работать на номинальной мощности и генерация электроэнергии станет более предсказуемой.

Аналогичных или похожих разработок в данный момент не наблюдается, поэтому научная группа подала заявку на патент.

Лабораторный эксперимент

Описанный выше проект - гипотеза, существующая в виде детальных расчетных моделей. Для ее проверки группа собрала экспериментальную установку, на которой проверяла жизнеспособность подхода:

Результаты измерений показывают, что эффект ускорения потока действительно наблюдается и его достаточно для практического применения вращающихся цилиндров.

Если стационарный цилиндр увеличивает скорость потока всего в 1,24 раза, то вращающийся — в 1,92 раза.

Часть результатов эксперимента. 1 — показания анемометра без цилиндра (свободный поток), м⁄с; 2 — показания анемометра со стационарным (не вращающимся) цилиндром, м⁄с; 3 — показания анемометра с вращающимся цилиндром, м⁄с; 4 — процентное увеличение скорости потока стационарным цилиндром, %; 5 — процентное увеличение скорости потока вращающимся цилиндром, %; 6 — суммарное процентное увеличение мощности турбины типа Савониуса в случае установки ее вместо анемометра, %

По итогам теоретических изысканий и их проверки в ходе эксперимента группа подготовила модули в Matlab для расчета усилителей ветра для коммерческих турбин, которые, среди прочего, учитывают влияние поверхности Земли как экрана для ветра.

Кроме этого теста, группа провела несколько других. 

Общий итог таков:

1. Один стационарный цилиндр увеличивает скорость потока на 24%, мощность турбины при этом увеличивается на 54%.

2. Вращающийся цилиндр увеличивает скорость потока на 117%, мощность турбины при этом увеличивается на 371%.

3. Вращающийся цилиндр в поперечном потоке воздуха передает потоку 18,3% своей циркуляции. Из этого следует, что циркуляционный поток можно моделировать вихрем с циркуляцией Г =0,12 × а2 × RPM, где RPM — число оборотов; а — радиус цилиндра.

Пример расчета для двух турбин

Для расчета выгоды нужно много входных данных, начиная от модели турбины, способа расстановки цилиндров и заканчивая параметрами ветра на конкретной территории. Предположим, у нас есть турбина Vensys 70, установленная в районе со средним ветром 7 м/с на высоте установки турбины.

Номинальная мощность такой установки при ветре 11 м/с — 1,39 МВт. Чтобы добиться этой мощности, необходимо увеличить скорость ветра в 11/7 = 1,57 раза. Это не максимальная мощность турбины, ее использовали, чтобы получить оценку эффективности в реальных условиях.

Возьмем схему с двумя цилиндрами на вращающейся платформе. Из теоретических изысканий следует, что каждой степени ускорения потока соответствует единственное соотношение между диаметром ротора и диаметром ускорительного цилиндра. Расчеты показывают, что для ускорения ветра в 1,57 раза отношение диаметра цилиндра к диаметру ротора турбины должно быть 0,2037, то есть диаметры цилиндров — примерно 14,32 м при диаметре ротора 70,3 м.

Математическая модель дает отношение высоты и диаметра цилиндра — 2,9679. Таким образом, расчетная высота цилиндра — 42,5 м. С учетом представленной выше конструкции вес обшивки одного цилиндра (без бетонной башни) — чуть больше 10 тонн. Внутреннее наполнение цилиндра — около 16,5 тонн. А сама бетонная башня будет весить около 109 тонн, не считая фундамента, который зависит от конкретного места монтажа.

Мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха в приграничном слое при вращении цилиндра, — 5,8 кВт. Еще примерно столько же нужно на сопротивление подшипников трения. Плюс есть потери в редукторе и электродвигателе. 

По примерным оценкам, вращающиеся цилиндры будут потреблять около 98,4 кВт электроэнергии. Однако если вспомнить, что при скорости ветра в 7 м/с мощность такой турбины 359 кВт, а с усилителем (при ветре 11 м/с) мощность вырастает до 1390 кВт, то становится очевидно, что эффект от усиления в разы покрывает потери.

Разница в вырабатываемой мощности позволит также окупить затраты на производство комплектующих, монтаж цилиндров и электродвигателей к ним, а также работу системы управления.

Рассчитаем по тем же принципам более скромную турбину: с диаметром ротора 16,2 м и номинальной мощностью 74 кВт. Получаем диаметр цилиндров 3,3 м и высоту 9,79 м. Вес этой конструкции будет около трех тонн. И в этом случае использование усилителя тоже экономически оправдано.

Технология хороша еще и тем, что позволит усовершенствовать уже смонтированные ветряки. Усилители можно проектировать и производить независимо от самих турбин, опираясь только на их технические характеристики.

Есть и недостатки. В первую очередь усилитель ветра увеличивает габариты и вес всей установки. Вращающиеся цилиндры необходимо производить, доставлять и устанавливать вместе с ветряками. Это существенные затраты.

В то же время, согласно публикациям научной группы, прирост итоговой выработки при использовании схемы с цилиндрами превышает эффект от увеличения диаметра ротора или высоты его размещения.

В качестве резюме скажу, что лично мне данная идея кажется весьма любопытной. Из тех документов с детальными расчетами на 70 страниц, что попали мне в руки, можно сделать вывод, что проект не сырой и группа разработчиков готова к строительству пилотных установок. Хочу пожелать им удачи и поскорее найти инвесторов. Надеюсь, что лет через пять мы увидим подобные штуки в масштабе если не мегаваттных турбин, то хотя бы киловаттных.