В связи с отсутствием радикальных предложений по решению энергетических проблем, сейчас во всех странах мира начали делать большую ставку на возобновляемую энергетику. Возобновляемые источники энергии всё шире внедряются в энергосистемы, и доля ВИЭ в мировой энергетике составляет на сегодняшний момент порядка 20 %. Однако такие энергоустановки, как крупные пропеллерные «ветряки» западного производства, излучающие громкий шум и вредные низкочастотные колебания, уже считаются экологически опасными, и традиционная ветровая (пропеллерная) энергетика признана западными учёными и медиками вредной. Причём ветряные электростанции на Западе уже пытаются вынести в море или ищут «безопасные» устройства, способные заменить пропеллерные ветряки, лопасти которых изготавливаются по дорогостоящим авиационным технологиям. Солнечная энергия пока эффективно служит только космической отрасли. В этой статье автор рассказывает о новом методе использования воздушного потока на основе более простого и экологичного устройства, способного заменить пропеллерные ветряки и обеспечить эффективное получение электроэнергии от скоростного потока воздуха.

Конвейерный привод ветрового электрогенератора. 12/2018. Фото 1

Используемые сегодня человечеством ресурсы конечны, более того, их дальнейшая добыча и использование может привести не только к энергетической, но и к экологической катастрофе. Традиционно используемые ресурсы — уголь, газ и нефть — закончатся уже спустя несколько десятилетий, и меры нужно принимать уже сейчас, в наше время. Необходимо найти эффективные, недорогие и экологически безопасные способы производства альтернативной энергии в большом количестве. Однако переходить на возобновляемые ресурсы, такие как ветер, солнце, энергия водных потоков рек и другие с известными принципами работы, проблематично, дорого и не всегда безвредно для окружающей среды.

На сегодняшний момент самыми безвредными и быстро восполняемыми из всех видов декларируемых «чистыми» энергетических технологий являются технологии, основанные на использовании водной энергии, затем — ветровой и солнечной. Однако энергоустановки, которые сегодня преобразовывают силу воды и ветра и энергию Солнца, уже не считаются экологически безопасными. Имеются в виду крупные пропеллерные «ветряки» западного производства и ветропарки из них, а также солнечные панели с малым КПД. Их применение ограничено по территориальному и природному признакам. Сюда же относятся гидроэнергетические объекты, представленные в основном крупными и малыми быстро стареющими плотинными ГЭС с большим «букетом» неудобств и потенциальных сезонных неприятностей, которые запросто могут перерасти в трагедии.

Необходимо разработать привод электрического генератора, использующий движущую силу, получаемую от воздействия потока окружающей среды одновременно на несколько приёмников энергии потока, служащих для обеспечения работы привода генератора.

С этой целью была разработана и изготовлена действующая модель нового, основанного на известном принципе действия и более экологически безопасного устройства, способного заменить пропеллерные ветряки и обеспечить эффективное получение электроэнергии от скоростного потока воздуха у поверхности земли или моря. За основу при разработке устройства, использующего известный принцип действия, взят преобразователь энергии текучей среды конвейерного типа согласно патенту РФ №38850, который сначала предназначался для использования в речном потоке вместо гидротурбинного привода генератора.

Фактически для преобразователя энергии текучей среды конвейерного типа рабочим телом, помимо водного потока с поступательным движением, могут быть поток пара, высокоскоростной поток отходящих газов газовой турбины или скоростной воздушный поток, которые имеют меньшую плотность, но более высокую скорость. А конвейерный преобразователь можно считать универсальным механизмом для получения безтурбинного вращения от естественного или искусственного поступательного потока среды.

Функциональный принцип работы модуля разработанного привода состоит в преобразовании кинетической энергии потока, который проходит с разной скоростью по поверхностям нескольких прямолинейных лопаток, имеющих профиль сегмента, создавая по закону Бернулли разность давления на их поверхностях и движущие силы в сторону выпуклых поверхностей лопаток, придавая им движение в направлении этих сил (рис. 1).

Конвейерный привод ветрового электрогенератора. 12/2018. Фото 2

Модуль состоит из двух рядов прямолинейных рабочих лопаток, которые под воздействием скоростного потока среды и за счёт возникающих движущих сил движутся поступательно в противоположных направлениях, как по конвейеру.

Движущие силы всех лопаток складываются и передают общее усилие на конвейерную замкнутую цепь, к которой они прикреплены, создавая однонаправленное вращение цепных звёздочек. Вращение цепных звёздочек передаётся валу электрогенератора. Других конструктивных элементов для работы не требуется.

Преимущество таких установок в том, что они относительно просты по конструкции (рис. 2), в них можно применить широко распространённые в технике агрегаты, например, генераторы постоянного тока с постоянными магнитами, а лопатки изготавливать из лёгких неметаллических материалов.

Конвейерный привод ветрового электрогенератора. 12/2018. Фото 3

Простота конструкции позволяет создавать модули из недорогих элементов, что является достоинством, позволяющим разработать промышленный образец электростанции для изолированного посёлка или отдельного дома при небольшом финансировании опытно-конструкторских работ. Электростанции большой мощности могут состоять из нескольких дешёвых серийных модулей, энергию которых при необходимости можно аккумулировать или отводить автономным потребителям по локальным сетям.

Новый принцип использования энергии скоростного потока для получения движущей силы на лопатках модуля электростанции аналогичен работе устройств, действующих по известному принципу — за счёт подъёмной силы крыла. Классическим примером использования такой подъёмной силы является самолёт при движении в спокойном воздухе за счёт затрат энергии его двигателями. Многотонный корабль на подводных крыльях, движущийся над водой со скоростью более 10 м/с, который также за счёт затрат энергии двигателями и использования подъёмной силы крыла легко поднимается над водной поверхностью. Известно, что подъёмная сила крыла возникает только при его движении относительно окружающей газообразной или жидкой среды (или, соответственно, наоборот).

Ещё одним прототипом работы преобразователя прямолинейного потока конвейерного типа, преобразующего поступательное движение лопаток во вращение вала, является более сложный кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом, который поступательное движение поршней (в двигателе внутреннего сгорания и паровых машинах) преобразует во вращение вала, но который исключается в предлагаемом преобразователе поступательного движения, уменьшая стоимость его изготовления.

Для работы в скоростном воздушном потоке предлагается пропеллерный привод электрического генератора заменить конвейерным приводом с прямолинейными лопатками. Такая замена позволит полностью исключить вредное воздействие на окружающую среду обитания низкочастотных колебаний от работы современных мощных ветряков и позволит устанавливать малошумные генераторы с конвейерным приводом не только в море, но и на побережье, например, Ледовитого океана, в котором наблюдаются сильные ветры, особенно зимой в период полярной ночи, когда повышается энергопотребление.

Чтобы не делать длинные сети электроснабжения, модули электростанций должны располагаться вблизи от потребителей, например, на возвышенностях, на крышах домов, и служить для экономии топлива на резервных дизельных электростанциях при благоприятных погодных условиях (сильном ветре).

Мощность отдельного модуля электростанции будет определяться площадью захватываемого потока воздуха, его скоростью в квадрате, движущей силой каждой лопатки, имеющей профиль сегмента, количеством, шириной и длиной лопаток. Конвейер и лопатки движутся поступательно с линейной скоростью, зависимой от тормозящего момента нагрузки на выходном валу конвейерного привода.

Если испытаниями подтвердится, что один модуль электрогенератора обеспечит получение энергии около 5 кВт от воздушного потока при скорости ветра менее 4 м/с, то такой генератор будет востребован автономными потребителями в сельской местности и воинскими подразделениями в арктических условиях прохождения службы или проживания.

В представленным на рис. 2 демонстрационном модуле за один проход одной лопатки по конвейеру выходной вал делает шесть оборотов. Поэтому, например, если лопатка будет делать один проход за две секунды или 30 проходов в минуту, то вал звёздочки будет вращаться с частотой 180 об/мин.

Большинство стран на Земле является морскими державами, поэтому предлагаемый экологически безопасный метод получения электрической энергии в прибрежных зонах может стать весьма актуальным для них и, тем самым, значительно сократить использование углеводородов во всём мире.

Кроме всего прочего, многие из прибрежных стран не располагают своим углеводородным топливом, но, имея доступ к открытым морским акваториям, будут заинтересованы в установке на прибрежных акваториях моря множества автономных модулей ветряных электростанций конвейерного типа, серийно изготовленных в заводских условиях.

Экологическая безопасность вырабатываемой новым методом электроэнергии немаловажна и заманчива в свете острых запросов сегодняшнего дня, о которых упоминалось в начале статьи.