Энергоустановки искусственного ветра

Для возобновляемой энергетики особую актуальность имеют инновационные разработки, позволяющие создавать условия для преодоления основных недостатков преобразователей солнечной энергии – низкой плотности и непостоянства излучения. Среди способов преобразования солнечной энергии без должного изучения до сих пор остаются энергетические установ- ки, в которых создаются искусственные ветровые потоки, инициированные коротковолновой составляющей солнечного излучения. Первые предложения создать солнечно-ветровую электростанцию относятся к 1903 году [1]. Впоследствии появились работы, в которых описывались различные конструкции подобных электростанций, получившие название «solar chimney» – солнечная труба [2]. Энергоустановки, преобразующие тепло лучистой энергии в кинетическую энергию воздушного течения, представляют собой солнечный коллектор с башней (трубой) и турбинами [3]. Практически во всех установках подобного типа, искусственный ветер, создаваемый солнечным нагревом воздушных масс, представлял собой прямоточный вертикальный поток. Выходная мощность прямоточных ветровых течений в трубе по расчетам не превышала 10 Вт/м2 и зависела от размеров коллектора и трубы. Выполненные оценки показали, что практически значимые значения коэффициента преобразования солнечной энергии можно получать только при концентрации воздуха в вытяжную трубу высотой порядка сотен метров из коллектора, площадью несколько десятков квадратных метров. Первая солнечно-ветровая электростанция с трубой высотой 200 м, диаметром коллектора 200 м и мощностью 50 кВт была введена в эксплуатацию в конце 80-х годов близ города Манзанарес в Испании [4]. Аналогичная конструкция солнечно-ветровой электростанции в более крупном масштабе с трубой в 1000 м, диаметром коллектора 7500 м и мощностью 200 МВт была предложена для реализации в Австралии [5].

В настоящей работе рассматривается лабораторная модель электростанции (рис. 1), в которой для усиления низконапорных, воздушных течений, инициированных солнечным нагревом приземного коллектора, создается вихревой конвективный закрученный поток [6, 7]. Она содержит солнечный коллектор с неоднородным подогревом нижней поверхности, трубой в центре и тангенциальными направляющими-завихрителями на периферии.

Особенность модели заключается в том, что воздушные массы, спирально двигающиеся в коллекторе, попадая в зону температурного скачка коллектора, приобретают сдвиг скорости. Сдвиговые возмущения внутри трубы формируют вращающийся поток с отличной от нуля завихренностью.

Макетный модуль солнечно-вихревой электростанции (рис. 2) создан с применением системы сборно-разборных конструкций. Каркас коллектора состоял из дюралевых уголков. В плане по периметру он представлял собой окружность. Нижняя поверхность коллектора – металлическая поверхность из стального листа. Верхняя поверхность коллектора изготавливалась из оргстекла.

Рис. 1. Схема модели солнечно-вихревой электростанции:

1– коллектор; 2 – труба; 3 – источник лучистой энергии; 4 – завихрители; 5 – турбина. Справа, в плане – траектория линии тока в коллекторе

Рис. 2. Фотография макетного модуля солнечно-вихревой электростанции

В центральной части коллектора к каркасу жестко прикреплялась обечайка, в которую устанавливалась труба из текстолита. На периферии коллектора вертикальными штырями закреплялись тонкие дюралевые пластины (тангенциальные завихрители), которые можно было устанавливать под различными углами, отсчитываемыми от касательной к окружности коллектора. В верхней части трубы на ее стенке устанавливался координатник для перемещения измерительных датчиков скорости и температуры в горизонтальной плоскости. Нагрев воздуха в коллекторе осуществлялся электрическими тэнами, нерегулярно расположенными под дном коллектора. Датчики температуры размещались внутри коллектора и в трубе. Сигналы с датчиков через аналого-цифровой преобразователь вводились в компьютер. Суммарная относительная ошибка при определении скорости не превышала 2,5%. Параметры установки приведены в таблице.

В опытах установлено, что с ростом температуры подстилающей поверхности скорость вращения увеличивается. Измерения скорости потока при различных комбинациях углов входа воздуха в коллектор показали, что результирующая скорость потока в трубе для углов тангенциальных пластин, отсчитываемых от касательной к окружности, в пределах α = (0–10)⁰ оказалась больше, чем при других углах закрутки потока.

Суммарный расход входящего в вихрь потока в этих случаях также увеличивался. Максимальный уровень интенсификации лучистой энергии, возбуждающей конвективно-закрученный поток, достигался путем оптимизации периферийного углового момента, по высоте вихря вблизи подстилающей поверхности.

Геометрические характеристики экспериментальной установки

Рис. 3. Зависимость нормированного коэффициента полезного действия µ * преобразования энергии лучистого излучения в энергию конвективного закрученного течения в энергоустановке от угла входа потока α в коллектор. Нормировочное значение µ =0,31% равно коэффициенту преобразования лучистой энергии при прямоточном конвективном течении. Сплошная линия – тренд, точки – эксперимент авторов

На рисунке 3 показано рассчитанное по данным измерений значение коэффициента полезного действия исследованной модели. Закрученный поток позволяет в полтора раза увеличить преобразование лучистой энергии по сравнению с прямоточным конвективным струйным течением.

Из проведенных экспериментов следует, что управлять величиной коэффициент гидродинамического преобразования солнечной энергии, инициированного парниковым эффектом, можно путем подбора оптимальных значений угла закрутки потока. Принимая полученные в экспериментах значения коэффициента полезного действия за исходные, в реальных солнечновихревых электростанциях можно получить следующие характеристики. Диаметр солнечного коллектора – 30 м, труба, высотой 10 м, диаметром 1 м, интенсивность солнечной радиации – 500 Вт/м2, скорость наружного ветра в районе станции – 3 м/с, выходная мощность – 5 кВт. Капитальные затраты на строительство – 5000 долларов США. Использовать энергию только солнечного излучения в электростанциях экономически не эффективно. Более эффективное функционирование будет совместно с другими системами, в том числе с котлом на биогазе и других видах топлива. Подобные станции могут быть использованы для автономного обеспечения электрической энергией сельскохозяйственных комплексов Южного федерального округа Российской Федерации.