Введение

В этом посте для повышения эффективности выработки электроэнергии и снижения себестоимости возобновляемых источников энергии (ВИЭ) предлагается рассмотреть новое устройство под названием “ветросолнечная панель”.

Ветросолнечная панель (ВСП) используется  совместно с солнечными батареями, которые отражают ветровые и солнечные потоки. Ветровые потоки, попадая на ветросолнечную панель ускоряются в её соплах, что позволяет минитурбинам вырабатывать ветровую электроэнергию. Наружные плоскости ВСП снабженные фотоэлементами, которые улавливают прямые и отраженные потоки фотонов, что позволяет вырабатывать солнечную электроэнергию. Создавая единую конструкцию электростанции, одновременно использующую ветровую и солнечную энергию,  возможно добиться значительного повышения эффективности при выработке возобновляемой электроэнергии. Наибольшей эффективности можно добиться разместив ветросолнечную панель на солнечную батарею, которая подключена к электрокоммуникациям и уже производит выработку электроэнергии.

Действующие солнечные электростанции (СЭС) при оснащении ветросолнечными панелями начинают работать как от солнечных так и от ветровых потоков.

Ветросолнечная панель может с успехом заменить обычные мачтовые ветроэлектростанции при этом будет полностью устранено негативное влияние шума и вибраций низкой частоты на окружающую среду за счет значительного уменьшения диаметра турбины и установки её в корпус сопла.

Внутреннее устройство секции ветросолнечной панели

На рис.1 изображена часть ветросолнечной панели, состоящая из одной секции с набором фотоэлементов и содержащей одну турбину.

На нижнюю несущую панель секции 1, при помощи винтов с потаенной головкой, закреплены две рамки 2, к которым жестко крепится статор 3. К рамкам с передней и задней сторон с помощью направляющих штифтов 4 присоединены сварные спрямляющие панели 5 (конфузор и диффузор), которые также крепятся к нижней несущей панели.

На каждой из спрямляющей панели 5 при помощи сварки закреплен направляющий аппарат 6.

Турбина, состоящая из ротора 7 и ветроколеса 8 через подшипниковый узел 9 закреплена на оси 10, которая устанавливается между направляющими аппаратами 6. На внешней стороне спрямляющих панелей 5 крепятся по четыре набора секций фотоэлементов 11.

В нижней части спрямляющих панелей 5 на трубчатой раме расположены два штуцера 12 и 13 для подвода и отвода воды.

Боковые и верхний торцы секции ветросолнечной панели для придания формы и жесткости конструкции закрываются съемными панелями 14.

Произведенная электроэнергия турбиной снимается за счет одного кабеля, а фотоэлементами за счет другого кабеля, которые заведены в преобразователь электроэнергии, где размещаются инвертор, контроллер и другие устройства. Для охлаждения фотоэлементов и генератора в корпус через штуцер 12 заводится, а через штуцер 13 выводится вода, которая снимая излишки тепла, позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию.

Особенности производства электроэнергии за счет генератора

Мощность потока Р, проходящего через поперечное сечение площадью F, равна произведению этой площади на ско­рость потока V и кинетическую энергию единицы объема потока [1]:

где ρ – плотность потока.

Формула показывает, что наиболее высокого эффекта при выработке электроэнергии генератором, добиваются не за счет увеличения площади захвата и плотности потока, а за счет увеличения скорости ветрового потока. При увеличении скорости в два раза мощность на генераторе возрастает в восемь раз, а при увеличении скорости потока в десять раз, мощность вырабатываемая генератором возрастает в тысячу раз.

Секция ВСП с фронтальной стороны имеет форму квадрата, где высота A подбирается определенной величины, чтобы захватывать наиболее ускоренные потоки ветра. Используя расчет аэродинамических характеристик крыла с использованием программного комплекса ANSYS CFX [2], можно отметить, что по сравнению с высотой препятствия ширина наиболее ускоренного потока занимает величину меньшую, примерно в двадцать-пятьдесят раз. Поэтому, на зданиях высотой, например десять метров, целесообразно применять секцию с высотой не более полуметра.

Ветросолнечная панель имеет небольшую ширину, что снижает материалоемкость и сопротивление ветровому потоку. Согласно практических наработок, отраженных в “Справочнике по гидро и пневмосопротивлению” И.Е. Идельчик характеристики конфузор-диффузорных сопел будут зависеть от угла расширения α, степени расширения:

где F₁ – площадь захвата конфузора, F₀ – площадь наименьшего сечения сопла и относительной длины:

где l – длина критической части сопла, а D – диаметр критической части сопла. Согласно данных справочника, для снижения потерь на трение и повышения КПД генератора, корпус секции ВСП должен иметь как можно меньшую ширину, при этом степень расширения не должна превышать 10, а угол расширения не превышать 150⁰.

Для здания высотой 10 м, оптимальная высота ВСП должна быть примерно 400 мм, следовательно секция будет квадратного сечения 400х400 мм, при угле расширения 140⁰, ширина секции составит 162 мм. При пятикратной степени расширения фронтальная площадь секции составит 16 дм², следовательно, диаметр ветроколеса составит 200 мм, где площадь 3,14 дм².

Эксплуатационные преимущества ВСП

По оценкам Лаборатории Sandia кубическая зависимость между энергией ветра и его скоростью может значительно превышать энергию, вырабатываемую мачтовыми ветроэлектростанциями. Работа мачтовых ветростанций начинается со скорости ветра
5 м/сек и заканчивается скоростью 12,5 м/сек, начиная с которой до скорости 22 м/сек ветроколесо переходит в режим торможения до полной остановки. Поэтому они работают в очень узком ветровом диапазоне, производя небольшой вклад в суммарную среднегодовую выработ­ку энергии. Ветротурбина, установленная в ВСП обладает способностью работать практически во всем ветровом диапазоне от 0,5 до 25 м/сек и более, так как имеет диаметр ротора до 300 мм. По сравнению с мачтовыми ветроэлектростанциями ВСП смогут увеличить среднегодовую выработку электроэнергии, используя низкоскоростные и высокоскоростные ветра. На обычных ветростанциях КПД по выработке электроэнергии снижается за счет использования редуктора. ВСП не использует редуктора, что повышает КПД, а размещение ротора за винтом стабилизирует скорость вращения. Система вращения винт-ротор за счет большего момента инерции сглаживает изменение скорости ветра.

Момент инерции i - это сумма произведения массы каждой частицы тела на расстояние от частицы до оси вращения в квадрате:

При повышении скорости ветра ВСП плавно увеличивает обороты, а при снижении плавно снижает обороты вращения [4].

Величина ЭДС, индуктируемой генератором, прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, создаваемому главными полюсами, и частоте вращения ротора n:

где С — постоянный коэффициент, учитывающий число  витков обмотки  якоря,  число  пар полюсов и другие постоянные величины, характеризующие данный генератор [5].

В процессе работы электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую. В основе этого процесса лежит закон электромагнитной индукции. Внешняя сила F воздействует на помещенный в магнитное поле проводник и перемещает его перпендикулярно вектору индукции В магнитного поля со скоростью υ, при этом в проводнике наводиться электродвижущая сила Е:

где В — магнитная индукция, Тл; l — активная длина проводника, находящаяся в магнитном поле, м; υ — скорость движения проводника, м/с.

Поэтому используя ротор большего диаметра чем винт, генератор способен вырабатывать большее количество электроэнергии, так как его скорость движения будет большей. Ротор, закрепленный снаружи винта, предотвращает его разрушение при любых скоростях ветрового потока.

Устройство ветросолнечной панели

На рис.2 изображена ветросолнечная панель (ВСП) 15, соединённая из пяти секций, корпус которых для снижения себестоимости объединен в единый корпус. Панели, состоящие из двух и более секций, позволяют снижать их себестоимость и затраты при монтаже оборудования. Верхняя плоскость ВСП для повышения выработки электроэнергии закрывается солнечной панелью 16. Несколько ветросолнечных панелей легко выстраивать в линию большой длины, которая будет собирать значительные по мощности потоки ветра и солнца. Дополнительного эффекта при эксплуатации ВСП по выработке электроэнергии и значительному снижению себестоимости можно добиться, размещая ее, стыкуя по нижней грани с солнечной панелью (СП) 17. Поток фотонов будет напрямую попадать на фотоэлементы, размещенные на корпусе ВСП и СП, а так же, отражаясь от их плоскостей перенаправляться на их фотоэлементы, ВСП и СП устанавливаются под угол β, находящийся в пределах 110÷160⁰, который позволяет эффективно собирать как ветровые 18, так и солнечные 19 потоки.

Для снижения стоимости перед ВСП вместо солнечной панели устанавливается той же площадью или большей отражающая фотоны плоскость отражателя. В качестве отражателя может быть использована зеркальная или матовая плоскость с гладкой или рифленой поверхностью.

Для повышения эффекта по выработке электроэнергии в качестве отражателя можно использовать диффузный отражатель. Отражателем может служить плоскость здания, которую можно покрасить отражающей или диффузной краской [6].

Преимуществом ветросолнечных панелей является расположение ветротурбин малого диаметра внутри корпуса сопла, где за направляющими и выпрямляющими аппаратами гасятся шумовые и механические вибрации турбин. Вращение турбин малого диаметра создаёт высокую частоту, которая быстро гасится и не распространяется на большие расстояния.

Размещение ВСП на здании

Устройство, представленное на рис.3, включает архитектурное сооружение 20, на котором закреплены пять ветросолнечных панелей 21, в общем, состоящие из двадцати пяти секций, собранных в линию, с каждой стороны от панели установлена солнечная панель или отражатель 22. Ветровой поток 23, ускоренный плоскостями 24 архитектурного сооружения попадает в ВСП 21, которую размещают в наиболее ускоренном потоке ветра по биссектрисе на стыке плоскостей. Ветровой поток охлаждает фотоэлементы СП 22, позволяя вырабатывать фотоэлементам большее количество электроэнергии. В жаркие дни фотоэлементы ВСП охлаждаются водой, поступающей по трубам, что так же позволяет вырабатывать дополнительную электроэнергию и получать тепло для дома. Солнечные потоки 25, попадающие на плоскость 24 здания и плоскости 26 отражаются на фотоэлементы ВСП. Солнечные потоки 27, попадающие на плоскости ВСП, отражаются на плоскости СП 22, что позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию.

На архитектурном сооружении размещение ветросолнечной панели может быть на вертикальном, наклонном и горизонтальном стыке плоскостей здания в месте наибольшего ускорения ветрового потока. Ветер за счёт боковой плоскости здания ускоряется и затем проходит через ветросолнечную панель, где дополнительно ускоряясь вращает турбину, что позволяет вырабатывать значительное количество электроэнергии.           

Ветросолнечная панель, как и мачтовая ветроэлектростанция, позволяет собирать ветровую энергию с больших площадей.

Имея значительно меньшую площадь ветроколес, генераторы ВСП будут вырабатывать то же количество электроэнергии, что и одна мачтовая ветроэлектростанция с большим ветроколесом. В нашем примере диаметр ветроколеса ВСП равен 200 мм его площадь составляет 3 дм² и если на него поступает поток ветра ускоренный в десять раз, это означает что выработка электроэнергии будет равна как на мачтовой ветроэлектостанции, куда попадает обычный ветер с диаметром колеса площадью 3000 дм² (диаметром 6м).

На рис. 3 изображен загородный дом с высотой по вертикали равной 9 м, где вдоль угла крыши дома установлены ветросолнечные панели. Крыша дома состоит из двух наклонных плоскостей, площадь каждой 80 м², длиной 12 м. Площадь боковой стены под плоскостью крыши составляет 60 м². Ветросолнечная панель длиной 10 м состоит из 25 секций. На каждую секцию приходится площадь 5,6 м², с которой собирается ветровой поток, огибающий здание.

Ветросолнечная панель, состоящая из двадцати пяти секций, сможет разместить на себе фотоэлементы площадью 8,75 м², которые в южных широтах могут вырабатывать 180 Вт с одного метра квадратного. Следовательно, вся панель будет вырабатывать в максимуме 1,6 кВт/час. Стандартная ветротурбина площадью один метр квадратный, на ветре 12,5 м/c вырабатывает 500 Вт/час, следовательно, на неускоренном потоке ветра один генератор секции панели будет вырабатывать 15 Вт/час. Учитывая, что ветровой поток ускоряется зданием, примерно в два раза, а соплом еще в пять раз, то скорость на турбине может достигать 125 м/c. При ускорении ветра в десять раз мощность, вырабатываемая генератором возрастает в тысячу раз, то есть генератор в максимуме может вырабатывать 15 кВт/час. С учетом потерь на трение, которое будет не более 70%, можно принять, что при данном ветре генератор практически будет вырабатывать 5 кВт/час. Следовательно, все ВСП на этом ветре смогут вырабатывать 125 кВт/час. На практике средняя скорость ветра, примерно, в два раза ниже, это означает, что выработка энергии будет меньше в восемь раз и составит 15,6 кВт/час, но это в десять раз больше, чем может выработать ВСП за счет солнца. Таким образом, ветросолнечная панель на ветровой и солнечной энергии в среднем будет вырабатывать 17,2 кВт/час.

Низкоскоростной ветровой поток, встречая препятствие в виде стены здания, расходует свою энергию на трение не значительно, так как его интенсивность не высока, но за счёт большой площади стены здания поток ветра может сжиматься и при огибании плоскости стены может значительно ускоряться. Далее ускоренный поток, попадая в конфузор турбины, ещё более ускоряется и ветер, получивший большую скорость раскручивает ротор.

Эффективность использования ВСП достигается за счет сбора ветровой и солнечной энергии с больших по площади плоскостей зданий, с которыми сталкивается поток ветра и фотонов.

Оценка стоимости и эффективности ВСП

По предварительной оценке себестоимость одной секции будет примерно 10 тыс.рублей. Следовательно, одна ветросолнечная панель состоящая из пяти секций будет 50 тыс.руб. Площадь фотопанелей, размещенных на одной секции панели достигает 35 дм², следовательно их себестоимость будет примерно 3,5 тыс.руб.

На данный момент времени солнечная электростанция мощностью 17 кВт/час имеет стоимость на рынке, примерно, четыре, а ветровая электростанция полтора млн.рублей. Если одну половину электроэнергии вырабатывать на солнечной, а вторую половину на ветровой электростанции, общая стоимость составит два миллиона семьсот пятьдесят тысяч рублей. Ветросолнечная панель на 17,2 кВт/час будет в серии по себестоимости не более 550 тыс.рублей, где фотоэлементы будут стоить 90 тыс.руб., генераторы 250 тыс.рублей, а остальная стоимость уйдет на контроллер и инвертор. На рынок электостанцию можно выставлять в пределах одного млн. руб. это будет достаточно низкая стоимость электростанции имеющей большую мощность, чтобы обеспечить не только энергетические нужды одного дома, но и сразу нескольких домов.

Солнечные электростанции и ВСП в единой схеме

Экономическая эффективность, предлагаемого способа в народном хозяйстве для производства энергии, может быть очень высокой. Это особенно касается использования ветросолнечных панелей (ВСП) совместно с солнечными батареями, которые собраны в мощные электростанции. Оборудовав рис.4 солнечные панели 28 ветросолнечными панелями 29, установленными на верхний угол, возможно, решить проблему выработки электроэнергии в ночное время. На рис. 4, показана СП, установленная на стойке 30 с поворотной системой и системой слежения за солнцем. При совместном использовании ВСП и СП система дополняется слежением за ветром и в зависимости от величины выработки электроэнергии фотоэлементами и генераторами она следует за солнцем или за ветром.

Вся площадь СП захватывает ветровой поток 31, ускоряет его и направляет на ветроколеса ВСП, а солнечный поток 32, отражаясь от СП направляется на фотоэлементы ВСП и наоборот. Солнечный поток 33, отраженный от плоскости ВСП, попадает на плоскость СП. Количество энергии, вырабатываемого обычной солнечной электростанцией ограничено присутствием солнца, в отсутствие которого электростанция не вырабатывает электроэнергию и оборудование простаивает. Это особенно важно, когда наступает час пик, после захода солнца и потребитель особенно зависит от поставок электроэнергии. Отдельная солнечная панель достигает большой площади, например в США используют панели со стороной 8х8 метров, что составляет 64 м², которые могут захватывать не только потоки фотонов, но и ветровые потоки. Размещая на верхней грани этой панели ветросолнечную панель, возможно круглосуточно производить дополнительную электроэнергию, если имеется ветер. В ночное время система слежения за солнцем будет переключаться на систему слежения за ветром. По этой же схеме ветросолнечные панели целесообразно устанавливать на зеркалах солнечных электростанций, нагревающих воду до пара, который вращает турбину. Зеркала достигают площадь 120 м² и количества 1300 шт. эти электростанции так же не работают в ночное время, при этом каждое зеркало снабжено системой поворота за солнцем.

Стоимость потребляемой мощности и преимущество ветросолнечных панелей

Стоимость комбинированной электростанции оснащенной ВСП повысится не более чем на 10% от общей стоимости солнечной или солнечно-тепловой электростанции, а выработка электроэнергии может увеличиться как минимум в два раза. Например, в Крыму размещается солнечная электростанция мощностью 100 МВт/час стоимостью 300 млн. €. Таким образом, оснастив эту станцию ветросолнечными панелями стоимостью 30 млн. €, возможно будет производить не менее 200 МВт/час, при этом часть вырабатываемой мощности будет приходится на ночное время [7].      

 С экономической стороны необходимо учесть, что ветротурбины с увеличением своего диаметра начинают расти в цене, а с уменьшением наоборот падают в цене, поэтому ветротурбина меньше полуметра, которая применяется в ВСП будет иметь минимальную себестоимость.

Вывод

Обычные мачтовые ветростанции начинают выработку электроэнергии при ветре более 5м/сек, ветросолнечная панель позволяет работать при ветре 0,5м/сек, так как используют ветровой поток, собранный со всей площади боковых плоскостей здания или солнечной панели.

На сегодня солнечные батареи занимают большие сельскохозяйственные площади, при этом простаивая в ночное время. Используя солнечные батареи совместно с ВСП, появляется возможность дополнительно вырабатывать электроэнергию, аследовательно занимаемые площади и готовые электрокоммуникации будут использоваться более эффективно. В связи с этим, солнечные панели будут вырабатывать максимально возможное количество электроэнергии в максимально возможное время дня и ночи.

Электростанция, которая будет работать сразу на двух источниках энергии – ветре и солнце, будет наиболее эффективной. Дополнительный эффект будет создан за счёт единой конструкции, системы преобразования энергии, разводки и передачи её потребителю, что позволяет считать данный способ полезным для широкого применения в энергетике.

Список источников

1. Д. де Рензо, Ветроэнергетика, М.: Энергоатомиздат, 1982 г., гл. 1.12.1;

2. https://sapr.ru/article/22024;

3. И.Е.Идельчик, Справочник по пневмо и гидросопротивлению;

4. Физика Том1 Д.Джанколи, М.:Мир, 1989 г., стр.275÷279;

5. Ю.А.Кулик, Электрические машины, М.: Высшая школа, 1966 г., стр. 62÷79;

6. Элементарный учебник физики Том 3 Г.С.Ландсберга, стр.202;

7. В.Германович, Альтернативные источники энергии, Наука и Техника, С.Петербург, 2011 г., стр.190÷200.