Борис Николаев
Вариант управления воздушным потоком перед турбиной. Рисунок «НГ»
Одна из трудноразрешимых проблем ветроэнергетики заключается в слабом среднестатистическом ветре, из-за которого турбины большую часть времени работают не на полную мощность. Поэтому важнейшее значение для этой отрасли альтернативной энергетики имеют концепции, которые позволяют не только увеличить воздушный поток перед ветряками, но и сделать его регулируемым.
Если брать в рассмотрение всю энергию ветра в зоне установки ветрогенератора, то эффективность ее преобразования в электричество изначально ограничена законом Бейца долей в 16/27 от кинетической энергии ветра, достигающей турбины. Если попытаться забрать у ветра всю энергию, то воздушный поток остановится и тогда он не сможет вращать лопасти турбины. Поэтому нужен оптимальный баланс. При этом надо учитывать потери в редукторе и в генераторе. Итого в теории мы получим где-то около 50%.
Традиционный способ повышения эффективности работы турбин сводится к увеличению диаметров роторов и высоту башен, на которых они крепятся. В первом случае растет поперечное сечение воздушного потока, участвующего в раскручивании ротора: турбина захватывает больше энергии ветра и соответственно преобразует ее в большее количество электроэнергии. При увеличении же высоты размещения ротора повышается усредненная скорость вращения, так как скорость ветра на больших высотах обычно больше и одна и та же турбина даст при прочих равных условиях больше энергии. Но увеличение высоты и диаметра роторов ведет к кратной стоимости производства и обслуживания.
Альтернативный вариант сводится к фокусированию энергии ветра на турбине. Это помогает, и когда ветер вообще не дует. Ведь отсутствие ветра во многих случаях становится катастрофой для потребителей альтернативной электроэнергии, основанной на ветровой энергетике.
Техасские умельцы из Хьюстонского университета поэтому разработали своего рода устройство, которое помогает ветровым электростанциям поймать струю воздуха и даже усилить ее. Более того, новое устройство позволяет любителям домашней альтернативной энергетики устанавливать у себя вместо ставших уже во многих странах привычными солнечных модулей для выработки электроэнергии настоящую мини-ветровую электростанцию.
Речь идет, по сути дела, о ветровой турбине нового типа и о специальной форме уловителя ветра, который и направляет пойманную струю воздуха на эту расположенную вертикально в кожухе турбину, которая вращается и производит электричество. Конечно, главная особенность устройства в специальной аэродинамике уловителя ветра, которое даже малейшее дуновение ветра превращает в постоянный бриз. Ширина отверстия уловителя больше, чем вход на турбину.
В основе работы уловителя лежит известный эффект Вентури. Он заключается в том, что когда поток воздуха протекает через суженную часть трубы, то давление внутри его падает. Подобный эффект используется в ряде отраслей промышленности, например в гидроструйных насосах и даже в обыкновенных пульверизаторах. В автомобильных карбюраторах он используется для всасывания бензина во входной воздушный поток двигателя.
Принцип действия ветровой турбины Aeromine основан на создании зоны разряженного воздуха между направляющими крыльями и центральным столбом. В них есть отверстия, куда ветер загоняет воздух, далее он по трубам поступает к простому пропеллеру, а тот уже раскручивает генератор. Система стационарная, все подвижные узлы спрятаны в основании, и при желании сам генератор можно разместить на любом расстоянии от внешней части, что упрощает монтаж установки.
Конструкторы турбины, работающие в учрежденной университетом фирме Aeromine Technologies, утверждают, что их турбина производит на 50% больше электроэнергии и дешевле, чем солнечная электростанция, например, на крыше дома. И стоит такое устройство дешевле, чем солнечная электростанция такой же мощности. Мощность такого устройства составляет 5 тыс. Вт, и оно работает практически бесшумно. Высота же этого устройства составляет 3–4 м. Предполагается, что наиболее эффективно их можно будет применять на крышах общественных зданий, где будет возможность устанавливать до 40 таких боксов. В принципе один бокс соответствует 12 солнечным панелям по 400 Вт каждая. Для их размещения необходимо порядка 50 кв. м поверхности, а для мини-ветровой электростанции требуется гораздо меньше площади.
Минусы установки состоят в том, что она не может реагировать на смену направления ветра.
А в отношении комбинирования их с солнечными панелями существуют иногда прямо противоположные точки зрения. Некоторые конструкторы предлагают именно такой способ их размещения. Другие же указывают на то, что тень, которую отбрасывают боксы, мешает работе солнечных панелей.
Ради справедливости стоит отметить, что и в России были попытки управлять свободным потоком воздуха и направлять его на турбину. Однако, многие эксперты отмечают, что начавшиеся как эксперименты они так и не вышли на стадию промышленного применения. Якобы это связано с дороговизной и отсутствием окупаемости.