Реферат: Нетрадиційна енергетика

30.09.2015

Реферат: Нетрадиційна енергетика
Грані нетрадиційної енергетики

Вчені застерігають: розвіданих запасів органічного палива при нинішніх темпах зростання енергоспоживання вистачить лише на 70-130 років. Звичайно, можна перейти і на інші поновлювані джерела енергії. Наприклад, вчені вже багато років намагаються освоїти керований термоядерний синтез.

Але навіть у тому випадку, якщо на Землі будуть відкриті практично невичерпні сировинні ресурси, не вдасться уникнути екологічної біди. Років через 100 на нашій планеті буде вироблятися 1 % енергії, яку вона отримує від Сонця — 1.5х10 24 Дж рік. Цей рубіж не слід переходити. Інакше почнеться танення полярних льодів, катастрофічно підвищиться рівень Світового океану. У такому випадку прибережним містам і цілим приморським країнам енергія вже не знадобиться.

Так званого теплового забруднення планети можна уникнути лише в тому разі, якщо «взяти на озброєння» сонячну енергію, яка незалежно від того, використовує або не використовує її чоловік, — нагріває атмосферу Землі.

ФОТОН БАТІГ

Щоб повною мірою використовувати променисту енергію Сонця, потрібно перетворити в який-небудь інший вид. Зберегти світловий промінь в банк (згадаймо дивака-вченого, героя «Мандрів Гуллівера», яка мріяв про сонячних консервах) ще нікому не вдавалося.

Один з найбільш поширених і перспективних способів перетворення світла — фотоелектричний. фотони передають свою енергію електронам в напівпровідниках. Виникає електричний струм.

Як це відбувається? Докладно про це можна прочитати в підручнику фізики. Ми ж пояснимо коротко. Заборонені енергетичні зони в деяких напівпровідниках по ширині як раз відповідають величині енергії кванта світла. Заборонена зона — це потенційний бар’єр, який необхідно подолати електрону при перескоке з одного на інший атом кристалічної решітки. Поглинувши фотон, електрон здобуває рухливість Значить, може виникнути електричний струм. Адже за визначенням струм — це направлений рух електричних зарядів.

Та ось біда, фотоиндуцированные електрони можуть з однаковою ймовірністю рухатися як в одну, так і в іншу сторону. ЕРС різних знаків компенсують один одного. Струму не буде.

Якщо ж тепер поєднати два напівпровідника (найчастіше використовується кремній), легованих різними домішками (одна, в силу незбіжних валентностей, привносить у вихідне речовина нескомпенсовані електрони — виходить напівпровідник n-типу, а інша, чия валентність менше. призводить до появи дірок, носіїв позитивних зарядів — напівпровідник р-типу), на їх кордоні утворюється n-р-перехід. Світла немає — струм відсутній. Як тільки напівпровідниковий діод) висвітлити, потечуть надлишкові електрони в р-зону.

КРАЩЕ ДЕШЕВШЕ І ЕФЕКТИВНІШЕ

Є така «вивернута» приказка: краще бути здоровим і багатим, ніж бідним і хворим. Дотримуючись цього принципу, і розвивається фотоенергетика. Ще недавно фотоэлектроэнергия обходилася дуже дорого. І не дивно. До 1982 року в нашій країні фотоелементи випускалися тільки для космічних апаратів. Наземні перетворювачі потрапляло лише те, що з якихось причин выбраковывали основні замовники.

Нарешті з’явилося дослідне виробництво дискових сонячних елементів для народногосподарських потреб. Собівартість сонячної електроенергії зменшилася в 3 — 4 рази. Але все одно 7-10 руб. за 1 Вт встановленої потужності (такі сьогоднішні витрати) — це дуже дорого. Йде пошук способів здешевлення сонячних елементів. Один із прикладів — цікава розробка радянського вченого А.с Степанова. Він запропонував високоякісний кремній не вирощувати у вигляді зливків, які доводиться потім розпилювати на круглі пластини, а ті, у свою чергу, ретельно полірувати, витрачаючи багато енергії і витрачаючи даремно матеріал, а витягати тонкими стрічками з розплаву. При такому способі не тільки знижується собівартість фотоелементів, але і збільшується ефективність сонячних батарей. Адже стрічки можна змикати впритул, а між дисковими елементами завжди залишається невикористана площа.

Проте в буквальному сенсі камінь спотикання сонячної електроенергетики — низький ККД кремнієвих елементів. Справа в тому, що лише невелика частина сонячної енергії поглинається електронами в напівпровідниках. Левова частка падаючого випромінювання йде на нагрів фотоелемента (що, між іншим, погіршує його фотоелектричні характеристики), якась частина відбивається, якась пронизує його наскрізь. Згадаймо, адже заборонена смуга в напівпровіднику досить вузька. А значить, і невелика «енергетичне меню» електронів. Крім того, значні втрати енергії в напівпровідниках пов’язані з рекомбінацією електронів і дірок (компенсацією різнойменних зарядів).

У результаті ККД стандартних сонячних елементів не перевищує 10%. Втім, вже є дослідні зразки, отримані в лабораторіях М. Кагана, А. Зайцевої (НВО «Квант»), ККД яких 15-17%. І це не межа. Експертами пораховано, що граничний ККД для сонячних елементів з n-р-переходом становить 27-30%.

Особливо перспективними вважаються напівпровідникові перетворювачі з так званими гетера — переходами. Вони виготовлені з двох різних за хімічним складом напівпровідників (на відміну від описаного нами одного, але легованого з двох сторін різними домішками). Відповідно ширина заборонених зон у кожному різна. В області n-р-переходу виникає за рахунок взаємної згладжування потенційних бар’єрів, додаткова фото-ЕРС. Колектив вчених, який працює під керівництвом академіка Ж. Алфьорова, отримав на фотодиодах з гетеропереходом «арсенід алюмінію — арсенід галію» ККД близько 20%.

Примітно, що при нагріванні такі фотодіоди не погіршують свої фотоелектричні властивості. Вони стійко працюють навіть при 1600 — кратному ущільненні потоку сонячної енергії.

Виявляється, можна створити фотопреобразующие пристрої, які утилізують практично весь падаюче на них світло. Вони володіють так званою варизонной структурою, тобто заборонена зона у них змінної ширини (рис. 1). Цього домагаються, вводячи в різні зони напівпровідника різні домішки. В такому випадку фото-ЕРС генерується не на одній поверхні n-р-переходу, а в цілій просторовій області, для різних точок якої — різні заборонені зони. В ній для кожного кванта знайдеться затишне містечко, де його без перешкод поглине електрон.

Теорія варило інших структур у нашій країні розробляється членом-кореспондентом АН СРСР Н. Лідоренко, доктором фізико-математичних наук Ст. Євдокимовим, доктором технічних наук Д. Стребковым, кандидатом фізико — математичних наук А. Миловановым та ін. Доведено, що фотоперетворювачі з варизонной структурою (коль скоро навчаться виготовляти) будуть мати ККД 90%.

Йде пошук і нових — дешевих матеріалів для фотоелементів. Дуже перспективними, на думку деяких дослідників, напівпровідникові сполуки міді, кадмію, сірки. Перетворювачі, отримані на їх основі, недорогі, та ось біда — ККД у них близько 5%, і матеріали нестабільні, руйнуються під впливом навколишнього середовища. Складна, дорога герметизація зводить нанівець отриману економію.

Можна зменшити собівартість гелиоэлектроэнергии іншим способом. Скажімо, змусити Сонце. яскравіше висвітлювати фотоперетворювачі. Для цього використовують пристрої, які називаються концентраторами. Вони збирають сонячні промені з великою площею і направляють їх на відносно невеликі за розміром власне фотопреобразующие панелі.

Параболічний концентратор. Вже сама назва говорить про те, що його чаша являє собою параболоїд, якщо направити цю чашу на Сонце, то практично всі промені, що відбилися від її внутрішньої дзеркальної поверхні, зберуться в невеликій області біля фокус параболоїда. Коефіцієнт концентрації (відношення площі, з ко-

торою збиралися промені, до тієї площі, на якій вони сконцентрувалися) у такого пристрою великий. Це, звичайно, добре. Але в той же час призводить до надмірного перегріву фотоелемента. Доводиться передбачати систему охолодження. Та й система автоматичного стеження за Сонцем теж потрібна. Трохи відхилиться Сонце від осі симетрії параболоїда — відразу ж відбувається суттєва втрата фотоелектричної потужності. Принцип роботи фоконов і фоклинов такий же, що і параболічних концентраторів. Тільки огинають їх чаш не параболи, а гіперболи обертання. Ця заміна має певний сенс. Гіперболоїд збирає промені у фокальній області навіть у тому випадку, якщо їх нахил до осі симетрії чаші становить 6 °. Не потрібно безперервно повертати концентратор слідом за Сонцем. Цілком достатньо зрідка (можна і вручну) змінити кут його нахилу. 6° та 6 ° — це 12 °. а такий шлях по небу Сонце здійснює приблизно за годину.

Як не парадоксально, недолік фоконов і фоклинов тісно пов’язаний з їх гідністю — низький коефіцієнт концентрації випромінювання дозволяє відмовитися від дорогої системи охолодження фотоелементів.

До іншого типу концентраторів — преломляющему — відноситься лінза френеля. Вона складається з цілого набору призм, складених вершинами разом, так що поверхня лінзи, звернена до Сонця, нагадує розтягнуту гармошку.

Сонячні промені заломлюються в призмах, причому завжди знаходиться розташована до Сонця під таким кутом, що преломившиеся в ній промені збираються на фотоелементі, встановленому за вершиною лінзи. Ось чому лінзу Френеля не потрібно повертати у вертикальній площині. вона однаково добре працює при високо і низько стоїть Сонце.

Сьогодні з’являються так звані плоскі лінзи Френеля. У них немає «гармошки». На вигляд це звичайні призми. Однак деякі сегменти в такий призмі оброблені жорстким випромінюванням, показник заломлення у них змінився. А напрямок переломленого променя, як відомо, залежить не тільки від кута падіння (лінзи Френеля його задає «гармошка»), але і від показника заломлення речовини.

Одна з найбільш цікавих розробок останніх років — призмакон. Це теж призма. Але кут при вершині має строго визначену величину. В залежності від показника заломлення речовини, з якого зроблена призма (найчастіше це органічне або оптичне скло), кут вибирається таким, щоб будь-який промінь, що потрапив в призму, вже не міг пройти через відбивну поверхню і опинявся в пастці. Йому залишається один шлях — до збирає грані призми.

Мабуть, ви вже здогадалися, що принцип роботи призмакона заснований на явищі повного внутрішнього відбиття, коли промінь, що входить в оптично більш щільне середовище, відхиляється настільки, що наступну межу розділу йому подолати вже важче, а при певному, вище критичного для даного речовини куті падіння — неможливо.

Призмаконы були розроблені НВО «Квант», в лабораторії кандидата технічних наук Е. Тверьяновича. На жаль, через бюрократичну тяганину свій пріоритет ми втратили. Поки йшов неквапливий (близько півроку) процес оформлення документів на заявку до Держкомвинаходів, аналогічну заявку, випередивши наших вчених на два тижні, подав австралійський гелиотехник А. Житронч.

Згадаємо концентратор ще одного типу — люмінесцентний. Принцип його роботи нескладний. В оптичну пластину вкраплені люмінофорні речовини. Світло, що проникає в пластину, збуджує атоми люмінофора, вони перевипромінюють поглинені фотони, які за повного внутрішнього відбиття вже не можуть прорватися через поверхні і завершують свій шлях на фотособирающей межі.

У перспективі подібні пристрої можуть бути використані як підсилювачі в майбутніх оптичних ЕОМ. Поки ж вони проходять випробування в наукових лабораторіях.

КОЛИ ПОСЕРЕДНИКИ НЕ ПОТРІБНІ

Завжди потрібно ламати голову яким чином перетворити світ в потрібний нам вид енергії? Фотони без будь-яких посередників «самі по собі» поглинаються атомами і в остаточному підсумку збільшують теплову енергію речовини. Треба тільки зуміти скористатися даровим теплом, і тоді не потрібно буде витрачати дефіцитну електроенергію (а ми вже знаємо, що та сонячна електроенергія недешева), припустимо, на обігрів приміщень,

Вловлюють і переносять сонячне тепло до місця використання колектори. Найпростіший являє собою теплообмінник, в кого» ром циркулює рідина. Зверху він пофарбований в чорний колір, щоб краще поглинати сонячне випромінювання, і закритий склом, що не пропускає інфрачервоні — теплові промені. Оскільки максимум випромінювання Сонця припадає на видиму частину спектра, нехитрий пристрій поглинає набагато більше енергії, ніж віддає в простір. Воно акумулює тепло, яке теплоносій (найчастіше вода, що тече з теплообмінним трубах) передає споживачеві.

Як правило, колектори ніхто не повертає слідом за Сонцем. Їх закріплюють жорстко, орієнтують на південь і встановлюють під кутом до горизонту, рівним куту широти місцевості.

Сонячне тепло «малокалорійно», воно розсіяно. Дуже заманливо забезпечити колектори концентраторами. Якщо це великі параболічні дзеркала, з їх допомогою можна випаровувати воду і розігрівати пар до високих температур. Поступово вже чимало гелиостанций, на яких струм, що виробляється генераторами, вращаемыми паровою турбіною (як бачите, без електроенергії все-таки не обійшлося). Сонце, крім того, плавить метали, гелиопечах отримують особливо чисті хімічні речовини. Втім, геліо — технології — це тема окремої статті. Ми ж зупинимося на побутовому використанні сонячної теплової енергії.

Одна з останніх розробок — трубчастий колектор з концентратором типу призмакон. Він складається з скляних циліндричних трубок, які на половину радіуса був залитий розплавлений оптично прозорий кремній — органічний каучук. Коли він затвердів, вийшов вбудований в трубку призматичний концентратор.

до Речі, сама трубка — це теж концентратор (циліндричний). Припустимо, вона порожня (призматичний концентратор подумки прибираємо). Фокальна площина залишився циліндричного концентратора — є поперечний переріз трубки. Якщо пустити вздовж цієї площини теплоносій, отримаємо ущільнення енергії, рівне, відношенню діаметра циліндричного колектора до висоті теплообмінних трубок. Зокрема, для колектора фірми «Філіпс» коефіцієнт концентрації теплової енергії дорівнює 2. Висота трубок в ньому дорівнює радіусу циліндричного колектора.

Тепер неважко порахувати, що коефіцієнт концентрації колектор з призмаконом в два рази більше, ніж у колектора фірми «Філіпс», бо всі потрапили в призмакон промені вже не можуть його покинути із-за повного внутрішнього відбиття та спрямовуються до збиральної поверхні, висота якої — всього половина радіусу циліндричного колектора. Вода, що циркулює в такому колекторі, може закипіти. Це підтверджують досліди.

ПРОМИСЛОВИЙ ФОТОСИНТЕЗ

За масштабами використання сонячної енергії нам ще далеко до рослин. Щорічно в деревах, кущах, траві, водоростях нагромаджується 3х10 21 Дж законсервованої з допомогою фотосинтезу енергії. Це в 10 разів більше того, що витрачається за той же термін людством.

Заманливо, звичайно, використовувати з живою фотохімічний потенціал. Однак не губити ж зелені багатства планети? Потрібно створювати в енергетичні плантації. У майбутньому, мабуть, після вирішення продовольчої проблеми швидкорослі види рослин стануть висаджувати спеціально «на відгодівлю» мікроорганізмам і в результаті їх життєдіяльності отримають цінне паливо — метан.

Втім, ККД фотосинтезу рослин дуже малий — в середньому 0,1 %. Є інші перспективні напрямки биогелиоэнергетики. Наприклад, кілька років тому відкрито явище биофотолиза — розкладання води на водень і кисень під дією сонячного світла за активного посередництва виділених з рослин фотосинтезуючих речовин. Інший необхідний компонент — фермент гидрогенеза, що має спорідненість до атомів водню. Саме він «переконує» фотосинтезирующие речовини приступити до гідролізу. Завдання дослідників — навчитися створювати умови, за яких цей процес йде стабільно. Адже вилучені з клітки хлоропласти швидко руйнується на світлі.

Досить добре відпрацьовані мікробіологічні способи розкладання води. Відкриті і вже використовуються мікроорганізми, результат життєдіяльності яких — водень. У спеціальних ємностях для них розмножують корм — мікроскопічні водорості певних видів. Водорості поглинають сонячне світло, здійснюють фотосинтез, а мікроорганізми, поїдають їх, розкладають воду і виділяють водень.

Водень — це екологічно чисте хімічне паливо. При його згорянні виходить вихідний продукт — вода. Енергетичний кругообіг води може тривати до тих пір, поки світить Сонце.

ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ НА ОРБІТІ, А ЩЕ КРАЩЕ. НА МІСЯЦІ.

Природа піднесла нам, землянам, дивовижний подарунок — Сонце. Його енергії цілком вистачить не тільки щоб обігріти нашу планету, але й досхочу напоїти електрикою. Тільки от енергію денного світила треба брати не з поверхні Землі, де умови найчастіше ненадійні, а з навколоземної орбіти, де Сонце світить цілодобово, так і щільність енергії майже в 15 разів вище.

Ідея створення орбітальних електростанцій — не новина. Уперше її висловив у пресі ще в 1960 році наш співвітчизник П. А. Варварів, а пізніше підтримав американець П. Е. Гпейзер.

Фахівці проаналізували як переваги, так і недоліки способу отримання енергії. Щоб перетворити світло в електрику і переправити його на Землю, необхідно доставити на орбіту і розгорнути там величезні конструкції сонячних елементів. За попередніми розрахунками, їх площа повинна складати 100 квадратних кілометрів і більше.

У космос належить «закинути» десятки тисяч тонн вантажів. Але ні одноразові носії типу сучасних ракет, включаючи найбільш досконалий «Протон», ні багаторазові «шатли» сьогодні з таким завданням не справляються.

Так і як передавати одержувану енергію на Землю? У 1965р. провели такий експеримент. З однієї гірської вершини на іншу була передана електроенергія за допомогою НВЧ-випромінювання. Правда, її вистачило лише на те, щоб запалити. гірлянду лампочок. Але американські інженери вважають, що наприкінці XXI сторіччя таким способу можна буде транспортувати 100 ТВт електроенергії! Одним словом, цілу Ніагару!

Але не вигідніше і простіше будувати сонячні електростанції на Місяці? Аналіз поверхневого шару ґрунту нашого супутника, доставленого безпілотними космічними апаратами, «Місяць» та пилотируемыми експедицій «Аполлонов», показав, що він міг би послужити не тільки будівельним матеріалом для эпектростанции, але і паливом для рухових установок межорбитальных буксирів. З огляду на це в даний час розглядають мінімум три варіанти енергопостачання Землі з космосу.

В одному з них передбачає розгортання сотень порівняно невеликих сонячних електростанцій потужністю до 10 ГВт) на геостаціонарній орбіті. На Місяць у такому разі доставляється тільки гірничодобувне обладнання та комплекс для переробки грунту. Виготовлені там елементи станції транспортуються орбіту за допомогою багаторазових буксирів, що працюють на паливі, вырабатываемом з місячного грунту. При цьому місячних ракет-носіїв знадобиться 35 разів менше за сумарною мас ніж наземних.

Є й такий варіант: на поверхні Місяця будуються великогабаритні енергоізлучающіе СВЧ-станції з харчуванням антенних решіток від фотоелектричних перетворювачів. При потужності комплексу до 1 ГВт габарити антен можуть досягати 100 км. На окололунные орбіти виводяться відбивачі сонячних променів, а на навколоземні — НВЧ-відбивачі. З їх допомогою енергія передається в будь-який район Землі.

При спорудженні такої системи не знадобиться переправляти велику кількість вантажів з Місяця на навколоземну орбіту, хоча масштаби робіт все ж будуть чималі. Для розгортання комплексів сумарною потужністю 10 ТВт потрібно протягом 30 років переробити близько 300 млн. т ґрунту на Місяці створити близько 200 млн. т конструкції на орбіти Землі і її супутника. Гідність даного проекту — принципова можливість передачі енергії з Місяця узкоприцельными пучками за рахунок великих розмірів передавальних антен.

Нарешті, прогнозується також будівництво на Місяці промислового комплексу з видобутку гелію-3, який буде переправлятися на Землю, де з його допомогою на термоядерних електростанціях з екологічно чистим циклом стануть виробляти електроенергію, або використовувати в подібних же реакторах на Місяці, а вже отриману енергія переправляти на нашу планету. Цей варіант привабливий ще і тим, що при виробництві гелію-3 попутно одержують водень, воду, метан, азот та інші речовини, необхідні для життєзабезпечення місячних комплексів мешканців.

З ЧОГО ПОЧАТИ?

Подібні проекти, ясна річ, здійснити непросто, навіть при широкому міжнародному співробітництві. Тому розробники розбили їх на кілька етапів.

У 2000 — 2015 роках після завершення науково-дослідних робіт передбачається розгорнути системи освітлення, енерго — і теплопостачання окремих районів Землі з космосу, а також налагодити транспортну космічну систему за маршрутом Земля — Місяць — Земля для обслуговування першого поселення людей на Місяці зі змінним екіпажем чисельністю до 10 чоловік.

Крім того, на низькій орбіті (висота 1000 км, нахилення 97 градусів) створюються сонячні космічні електростанції (СКЭС) мегаватної потужності.

СКЭС масою близько 100 т. неважко вивести на орбіту за допомогою ракети-носія «Енергія» і доразгонного блоку. Двох таких станцій достатньо, щоб забезпечити енергією декілька селищ у важкодоступних районах Заполяр’я чи Сибіру або живити безліч маяків, метеостанції, буїв, які використовують нині небезпечні радіоізотопні джерела.

СКЭС будуть працювати за накопичувальною схемою. Сонячна енергія, перекладена в електричну, збирається в акумуляторах або конденсаторах, а потім передається споживачеві у вигляді НВЧ-енергії за ті 7 — 8 хвилин, поки станція пролітає в межах прямої видимості.

На наступному етапі — в 2015 — 2030 роки отримає подальший розвиток система нічного освітлення земних населених пунктів “космічним“ електрикою. Відкриється можливість подачі його в райони стихийны лих, де порушено енергопостачання. Передбачаються випробування перших транспортних засобів (скажімо, літаків), які будуть отримувати енергію безпосередньо з космосу.

Нарешті, після 2030 р. можна очікувати помітного підвищення потужності місячної бази. І з часом вона зможе повністю забезпечувати енергією всю нашу планету.

І ПЛЮСИ, І МІНУСИ .

Журналістів, присутніх на прес-конференції, цікавило: а не згубно вплинуть на все живе пропоновані способи передачі енергії з космосу потужними пучками енергії?

Академік А-З-Коротєєв пояснив, що вчені розглядають два варіанти передачі енергії — по лазерному або СВЧ-променю. Японські дослідники віддають перевагу першому, наші — другого. ККД лазерних систем в кращому випадку становить 15 — 20%, а СВЧ-систем — до 90%. До того ж виробництво лазерів технологічно складніше. Навіть її скорочення дозволить суттєво зменшити витрати і шкідливий вплив сучасних систем на природу.

Пожирач вітру.

На перший погляд вітер здається самим доступним з відновлюваних джерел енергії. У насправді: не в приклад Сонця, він цілком «працездатний» на півдні і на півночі, взимку і влітку, вдень і вночі, в дощ і туман. Однак на цьому всі достоїнства і кінчаються; далі, на жаль, — суцільні недоліки. Насамперед, це дуже розсіяний енергоресурс. Природа не зібрала вітри в якихось окремих «родовищах», подібно горючих копалин. І не пустила їх текти по руслах, подібно річках. Усяка рухома повітряна маса «розмазана» по величезній території. Правда, неуважність, мала концентрація характерна і для сонячної енергії. Але з вітром ще гірше. Його основні параметри — швидкість і напрямок — змінюються набагато швидше, в більш широких межах і зовсім непередбачувано. У підсумку по надійності він майже скрізь поступається Сонцю. Звідси і випливають дві головні проблеми проектування вітроенергетичних установок (ВЕУ).

По-перше, з урахуванням неуважності вітру прагнуть «знімати» його кінетичну енергію з максимальної площі. Що мається на увазі? Для ВЕУ звичайної конструкції (вітрове колесо на горизонтальній осі) — це площа кола, яке описують лопаті при обертанні; у фахівців вона називається сметаемой площею (ОГО. Звідси ніби випливає, що діаметр колеса (довжину лопатей) треба всіляко нарощувати. І дійсно: відомі проекти гігантських ВЕУ з діаметром вітроколеса до 120 м. Але для таких габаритів сильні вітри, в принципі більш «вигідні», стають вже небажаними — з міркувань безпечної експлуатації. До того ж, розраховуючи міцність, тут доводиться додатково страхуватися навіть від малоймовірних ураганних поривів і тим ще більше перетяжелять громіздку конструкцію. Шлях явно тупиковий.

По-друге, що ще важливіше домогтися рівномірності, сталості вітрового потоку на лопатях. Адже в кінцевому підсумку якість електроенергії, виробленої ВЕУ, визначається саме стабільністю моменту та кутової швидкості обертання на валу її генератора. Але якщо попередня проблема вирішується хоча б до відомої межі, то ця поки ніяк не вирішується.

Загальний висновок, мабуть, ясний: потрібна установка принципово нової конструкції. Намацати підходи до неї допоможуть нескладні математичні дослідження. Подивимося, від яких основних параметрів залежить енергетична ефективність ВЕУ.

Як відомо, кінетична енергія рухомого тіла

W = mV 2 / 2 .

Якщо мова йде про повітряному потоці, то V, природно, і є його швидкість. З масою m трохи складніше. У даному випадку береться маса обсягу повітря, що проходить через ОП в одиницю часу. Значить,

m = pSV,

де р — щільність повітря, S — ОП, V — та ж швидкість вітру. І тоді вихідне вираз приймає вигляд

W = рSV 3 / 2 .

Це величина енергії в одиницю часу, по суті — потужність. Отже, значення W визначається двома змінними — S і V. Як в принципі можна її збільшити? Якщо за рахунок S, то прийдеться змиритися з неминучим зростанням габаритів і маси ВЕУ (див. вище).

Цифрами позначені: 1 — напрям вітру; 2 — вхідний пристрій; 3 — вхідні повітроводи; 4 — конфузор; 5 — серводвигун повороту; 6 — поворотний круг; 7 — діаметр ВУ; в — пристрій скидання; 9 — відводять повітроводи; 10-дифузор; 11 — робочий канал; 12 — електрогенератор, 13 — турбіна.

Але з отриманої формули видно і інший порок такого «лобовного» підходи: ВІД пов’язана з площею 3 прямо пропорційно, лінійно. Зате вплив швидкості V набагато сильніше — залежність тут вже кубічна. Наскільки важлива ця різниця, пояснимо на прикладі.

Припустимо, нам вдалося якимось шляхом подвоїти величину V. Зрозуміло, що потужність повітряного потоку на лопатях зросте у 8 разів. І якщо тепер ми вирішимо зберегти колишню потужність установки, то зможемо відповідно зменшити ВП вітрового колеса. Тоді його діаметр (тобто, в першому наближенні, та інші лінійні розміри ВЕУ) скоротився б в Ö 8 = 2,83 рази. Якщо ж зуміємо збільшити V втричі, виграємо в габаритах більш ніж у 5 разів ( Ö 27), іт.д.

Що ж, прискорити вітер в принципі неважко: треба загнати його в якусь подобу аеродинамічної труби, просто кажучи — в канал звужується. У ньому, як відомо, швидкість потоку зростає обернено пропорційно площі перерізу. А загальний коефіцієнт прискорення дорівнює відношенню площ вхідного і вихідного отворів. Навіть для звичайних ВЕУ вже розроблені подібні пристрої — так звані конфузора, або дефлектори. Сенс їх у тому, що вони збирають вітер з набагато більшої площі, ніж ВП.

Але чому, ступивши на вірний шлях, конструктори не пішли за ним далі? Зробимо вхідний перетин конфузара змінним — і відразу вирішимо ту, «нерешаемую», проблему — підтримання постійної швидкості потоку на лопатях незалежно від примх вітру! Найпростіше тут застосувати поворотне вхідний пристрій (ВП). Легко зрозуміти, що його ефективний переріз максимально в напрямку «фордевінд» і зменшується при відхиленні в будь-яку сторону. Причому таке ВУ здатне ловити вітер з усіх румбів, і тому інші елементи можна зробити нерухомими, так і змонтувати прямо на землі, що набагато зручніше.

Так народилася у автора конструкція установки, зображена на схемі (патент РФ М9 1783-144). Головна її відмінність — потужний «ветроускоритель»: ряд повітроводів з полноповоротными ВУ на кінцях, що сходяться в загальний конфузор і далі в робочий канал. Яких же швидкостей досягає там повітряний потік? Ясно, що це залежить від відношення двох величин: сумарного ефективного перерізу всіх ВУ на вході і перерізу робочого каналу — на виході. Нехай діаметр одного ВУ всього втричі перевищує діаметр каналу, а площа відповідно — в дев’ять разів. Тоді, скажімо, при п’яти ВУ загальний коефіцієнт прискорення дорівнює 45. Правда, ми не врахували турбулізації повітряних потоків в системі і її загальний аеродинамічний опір, але для первинної оцінки такий розрахунок правомірна. А це означає, що самий звичайний, помірний вітер 5 м/с) породжує в каналі сверхураган в 225 м/с! Нагадаємо, що за шкалою Бофорта ураганним вважається вітер з жалюгідною швидкістю -12 м/с.

Виходить, звичайне вітрове колесо тут вже не годиться: його лопаті просто не витримають такого напору. Потрібна справжня турбіна, з лопатками іншої форми, набагато меншого розмаху і більш міцними — коротше, типу авіаційної. До речі, подібний пристрій набагато ефективніше використовують аеродинамічну енергію повітряного потоку. А тут до того ж він обмежений стінками робочого каналу, переріз якого майже повністю перекрито лопатками. В результаті загальний ККД установки повинен помітно зрости в порівнянні із звичайною, горизонтально-осьової.

Не забудемо тільки, що аеродинамічний потік, що вирвався з турбінного каналу, треба знову загальмувати. Цю зворотну задачу виконує система, дзеркально відображає вхідні: дифузор («розширювач») та повітроводи з пристроями скидання (УС) на кінцях. Конструкції ВУ і ВУС знову-таки однакові. Єдина відмінність — діаметри елементів відводить системи повинні бути більше, ніж у їх вхідних аналогів, щоб забезпечити ефективний перепад тисків.

Швидкість потоку в турбінному каналі регулюється простим обертанням ВУ. При слабкому вітрі повітрозабірники орієнтуються «особою» до нього, а по мірі посилення все більше відвертаються, якщо це потрібно. Пристрої скидання, природно, завжди спрямовані «спиною» до вітру. Координують роботу всіх ВУ і ВУС мікропроцесорні блоки контролю і управління їх електроприводами, датчик напрямку вітру і центральний процесор з зашитою в ньому програмою. Режим регулювання цілком може бути плавним, а дискретним, проривним, що спростить систему управління.

. Але, мабуть, описана ВЕУ в цілому здається аж ніяк не дешевою. Чи є сенс городити всі ці громіздкі повітроводи? Що ж, отримана нами формула потужності W дозволяє порівняти абсолютні енергетичні показники старого і нового варіантів. Задамося щільністю повітря на рівні моря р = 1,2 кг/куб. м і швидкістю вітру V = 5 м/с.

Для першого варіанту візьмемо граничний діаметр вітрового колеса — 120 м, що дає площа 3 (ВП) трохи більше 11 000 кв. м. Підставивши ці дані в формулу, отримаємо потужність вітрового потоку всього 0,8 МВт.

Для нової ВЕУ використовуємо нашу оцінку швидкості V в робочому каналі (близько 200 м/с) і задамося скромною величиною ВП турбіни — 10 кв. м. Аналогічний показник складе 48 МВт! Енергетичну перевагу настільки явна, що додаткові витрати (якщо вони взагалі знадобляться) повинні окупитися.

Звичайно, в обох варіантах, з урахуванням різних втрат, електрогенератори утилізують далеко не всю аеродинамічну потужність. Але і тут, як ми переконалися, нова ВЕУ повинна мати перевагу — більш високий ККД.

Як показують прості розрахунки, варто поставити кілька зайвих ВУ та трохи збільшити їх діаметр — і ми швидко підійдемо до межі можливостей навіть авіаційних турбін. Тобто дана умова сама по собі визначає число і розміри ВУ проектованої установки навряд чи більше 10. Правда, тут важливий ще один фактор — середньорічна швидкість вітру в даному районі, його, так сказати, ветрообеспеченность. Якщо цей показник менше тих же 5 м/с, то для стабільної роботи генератора може знадобитися і більше 10 повітроводів. Щоб оцінити доцільність такого рішення, знадобляться, звичайно, детальні дослідження і розрахунки, в тому числі економічні. Але навіть наші наближені оцінки говорять, що подумати є над чим.

Короткий опис статті: нетрадиційна енергетика Реферат: Нетрадиційна енергетика Реферати дипломи книги курсові твори

Джерело: Реферат: Нетрадиційна енергетика

Також ви можете прочитати