ПРОСТЕЙШИЙ ВЕТРОАГРЕГАТ

on 02 January 2016.

 ПРОСТЕЙШИЙ ВЕТРОАГРЕГАТ

Использование энергии ветра зациклено на одной конструкции - ветряк с крыльями. Так строили ветряные мельницы наши предки. 

Достоинства винта (точнее, крыла) ветряка  позволили ему занять лидирующее положение среди устройств, преобразующих энергию ветра. Но высокие требования к качеству крыла, сложность и дороговизна изготовления, неудовлетворительные прочностные характеристики всей сборной конструкции, не выдерживающую штормов и порывов ветра, подталкивают к поиску других решений.

Кроме того, часть крыла не является рабочей поверхностью – она является несущей конструкцией для противодействия ветровым нагрузкам.

Существующие ветряки используют аэродинамические силы, возникающие при обтекании воздушным потоком крыла. Между тем сила давления ветра на поверхность может многократно превосходить аэродинамическую силу.

Рассмотрим такую фигуру

При любом направлении ветра она вращаться не будет – она симметрична. Но что произойдет, если мы поставим два щита перед конструкцией?

Схема стала несимметричной. Нижняя часть закрыта щитами, и давление ветра ей не передается. Конструкция придет во вращение. Теперь поднимем конструкцию на опорах на нужную высоту и установим генератор.

Итак, на валу закреплены рабочие плоскости. Конструкция вращается между щитами. Вал на подшипниках поднят опорами на заданную высоту и  в зависимости от направления ветра вращается по часовой стрелке или против нее. На валу редуктор, связанный с генератором.

Недостатков у конструкции немало (точнее будет сказать: много). Но исключительная простота перекрывает их большую часть. Достоинство: площадь рабочего крыла (нет, не крыла, а плоскости!) неограниченна (практически). Прочность – по желанию заказчика. Материалы  рабочих поверхностей и щитов – любые. В трудную минуту можно сколотить и из досок. Можно использовать дешевый металл, фанеру, пластик, парусную синтетическую ткань. Ребра жесткости – обязательны.

Можно, конечно, предусмотреть принудительную ориентацию конструкции на ветер. А надо ли усложнять? Проще построить еще один ветряк, ориентированный под 90 градусов к первому, чтобы перекрыть все направления. Ведь конструкция принимает давление ветра не только бьющего строго в плоскость, но и с широким углом раскрытия, хотя, конечно, с меньшей эффективностью.

Можно вместо заградительных щитов сделать насыпи. Или погрузить конструкцию в траншею. И испортить красивый вид. И землю. Некоторые короли платят деньги, чтобы коровки гуляли по зеленым холмам (в Норвегии, например). Красиво! Поэтому лучше построить деревянные, кирпичные или бетонные стены, которые при желании можно легко демонтировать.

Можно создать стометровую конструкцию. И потом решать задачу, как избавиться от деформации вала (промежуточные подпорки? гибкий вал? карданные соединения?). А лучше вал длиной 5-10 метров при площади рабочей поверхности 15-30 метров. И небольшие генераторы.

Можно наклонить щиты, чтобы направить на рабочую лопасть дополнительный поток. Толку от этого, по мнению автора, будет мало.

Можно изгибать рабочие поверхности, и тогда система тоже становится несимметричной. Конструкция будет вращаться в одну сторону при любом направлении ветра.

 

Такая конструкция работает и без щитов, потому что сопротивление набегающему потоку у верхней и нижней плоскостей различно. Так, например, работают анемометры – приборы для измерения скорости ветра - две полусферы, вращающиеся вокруг вертикальной оси и повернутые друг к другу разными сторонами. И ротор Савониуса. И ведь многие повелись на подобные конструкции! Сколько создано самых разнообразных проектов, конфигураций лопастей, оригинальных конструкций…

 Но вот ведь беда какая: несимметричность формы дает десяток другой процентов выигрыша по сопротивлению рабочей поверхности (под ветром) над нерабочей – против 100 процентов со щитами! Поэтому и коэффициент полезного действия подобных устройств низок.

И есть ли принципиальная разница для генератора переменного тока, в какую сторону будет вращаться ротор? Да и для генератора постоянного тока решить вопрос неизменной полярности на нагрузке не есть сложная задача. А если использовать энергию для нагрева воды, то и полярность и качество напряжения вообще перестают играть какую либо роль.

Итак, достоинства предлагаемой конструкции.

Неограниченная площадь рабочих поверхностей, следовательно, и отбираемой мощности. Энергия получается не от аэродинамической силы, а за счет давления ветра на поверхность!

Прочность всей конструкции, двустороннее крепление вала, возможность устанавливать промежуточные крепления – опоры при большой длине вала, возможность состыковки валов вторичных, дополнительных к основной, конструкций.

Простота обслуживания как генератора, так и рабочих поверхностей и линии вала.

Дешевизна используемых материалов.

Простота проектирования и монтажа.

Возможность наращивания рабочих поверхностей у действующих установок.

Возможность использования неудобных территорий (овраги, холмы) для монтажа конструкций.

Возможность массового использования конструкций самого различного масштаба без значительных трат или с внутренними тратами (за счет самого населения), что приведет к огромной экономии энергоносителей.

Места лучшего размещения

Ветряки лучше всего размещать на побережье и возвышенностях. Утренний и вечерний бриз на побережье, постоянные воздушные течения на высоте - это хороший выбор. Но есть ведь и области  по тем или иным причинам  постоянно продуваемые ветрами: ущелье в горах, степи без древесной растительности, пустыни, морские просторы. А здесь без анализа ситуации метеослужбой не обойтись. Зная розу ветров можно выбрать оптимальную ориентацию конструкции при монтаже.

Преобразование энергии

Сегодняшние ветровые системы получают энергию от ветра (0,4), преобразуют ее в электричество генератором (0,9), заряжают аккумуляторы (0,9), а затем с помощью современных преобразователей отдают ее в сеть (0,8), причем отдают энергию достаточно высокого качества. Качество электроэнергии – это постоянство частоты, постоянство величины напряжения, постоянство фазы. На каждой ступени при преобразовании теряется энергия. Поэтому 0,4*0,9*0,9*0,8=0,26. Уверяю Вас - это оптимистичный (преувеличенный) расчет.

Необходимо избавляться от лишних ступеней передачи энергии.

 Нагрев воды для собственных нужд (дуют ветры в феврале, воют в трубах звонко) - это есть лучший вариант: чем сильнее ветер, тем больший нагрев производит ветроагрегат. Нагрев лучше производить не с помощью электрических нагревательных элементов (ТЭНов), а с помощью нерастворимых электродов (например, угольных стержней), помещенных в рабочую среду (воду). Для такой системы качество энергии вообще не играет никакой роли. Проводимостью среды можно управлять с помощью добавок (солей, кислот или оснований). Током можно управлять, поднимая или опуская электроды. Поэтому нагрев помещений в зимнее время –  решаемая проблема.

Кроме того, даже если всю энергию будем тратить на нагрев и перегрев воды для получения пара, а затем на выходе поставим турбину, работающую на электрический генератор, то все равно будет выигрыш. Турбины и генераторы - это великолепно разработанные конструкции, это не капризная электроника, это металл, побывавший в руках мастеров, за ними стоит вся наша цивилизация. Вероятность сбоя у этих систем крайне мала. Добавим сюда, что раз вся система приобретает очень большую инерционность, независимость от порывов ветра, шквалов или недлительного безветрия, то выигрыш становится очевиден.

Накопление энергии.

Нет лучшего способа хранения энергии на сегодняшний день, чем  хранить ее в виде тепла. Уже сейчас энергию, накопленную летом, хранят в виде нагретой воды в подземных резервуарах, а затем используют для обогрева домов и бытовых нужд. Хорошая термоизоляция, большой объем, постоянная подпитка внешним источником (ветром, например, или солнечными батареями, или электроэнергией, отпускаемой ночью по льготным ценам) позволяют накапливать энергию с очень малыми затратами. После многолетней проверки и апробации в различных условиях сделан категорический вывод об эффективности и перспективности подобного способа хранения энергии. Никакие электрические конденсаторы или аккумуляторы и близко не могут сравниться с термосом.

Сравним ради интереса.

Пусть аккумулятор имеет емкость 40 Ампер часов. Вес его пусть 20 килограмм. Напряжение 12 Вольт, разряжаем током 1 Ампер.

Выделенная энергия=12 В*1 А*3600 сек.*40 час.=1 728 000 Дж

Теперь с термосом. Берем так же 20 кг воды=20 000 грамм. Теплоемкость одного грамма 4,2 Джоуля на градус. Нагреваем от 0 до 80 градусов.

Запасенная энергия=4,2 Дж/г.град*20000 г.*80 град.=6 720 000 Дж

Аккумулятор стоит денег, вода, конечно, тоже, но цены можно не сравнивать. Одна тонна горячей воды (80 градусов) хранит энергию, какую имеют 200 аккумуляторов, и они будут весить, кстати, 4 тонны.

Вывод.

Исключительная простота предлагаемого ветроагрегата позволяет  внедрить его широко и массово. Все недостатки конструкции с лихвой окупаются огромным количеством энергии, которую можно получить в кратчайшие сроки.

Удачный запуск макета или пилотного образца, освещенный средствами информации, нанесет сокрушительный удар по ценам на энергоносители. Причем, возможно, во всем мире.

 

Некоторые замечания.

Изготовление макета необходимо сделать минимально затратным.

Линия вала – ось со списанной машины, вместе с подшипниками и прочей обвязкой.

Генератор – аналогично.

Редуктор или передачу вращения  с оси на генератор – смотреть по месту.

Рабочие поверхности – листовое железо или докрон (парусная синтетическая ткань). В яхт-клубе должны быть запасы. Обязательно должны быть наварены ребра жесткости – рабочая поверхность ведь представляет собой консоль, и прочность ее будет без ребер невелика.

Заградительные щиты проще всего установить деревянные, но можно  положить и кирпичную стенку в полкирпича. Можно сделать и насыпь. Высота щитов не должна превышать линии вала!

Опоры можно изготовить из обрезков труб. На концах опор подошвы.

Успех для молодых естествоиспытателей будет обязателен.

И пожелаем им удачи!