Торнадо-ветровая электрическая система

М. Кривоносов, преподаватель кружка по возобновимым источникам энергии Областного центра технического творчества учащихся (Иркутск)

Ветровая энергетика занимает скромное место в современной энергетике. Выработка энергии на всех установках в мире — это сотые доли от общей мировой выработки энергии. В перспективе этот объём может в ближайшие 15-20 лет вырасти в 10 раз, а в условиях ограниченности минеральных ресурсов и угрозы экологических катаклизмов и более того. Сдерживающим фактором в развитии ветроэнергетики является сегодня низкая концентрация ветровой энергии и, как следствие, небольшая единичная мощность ветротурбин. Эту проблему решают, увеличивая размеры ветроустановок (что имеет естественные пределы) и число этих установок, работающих как единое целое (что также является проблематичным — энергокомплексы занимают слишком большие площади земли). То и другое увеличивает стоимость энергии, которая на данном этапе значительно выше традиционной (если не рассматривать частные случаи).

Традиционная ветроэнергетическая установка (ВЭУ) преобразует энергию движения воздушных масс (ветра), которая является усреднённой характеристикой хаотического теплового движения молекул воздуха. Полная же энергия объёма воздуха, протекающего через рабочее сечение ветротурбины в единицу времени, в 1000 раз больше. То есть традиционная ВЭУ использует так называемую кинетическую составляющую полной энергии воздушного потока, а её статическая составляющая (тепловое движение молекул), которая на три порядка больше, не используется вообще или в малой степени (в силу конструктивного порока винта-преобразователя).

На этот факт было обращено внимание группы американских учёных во главе с доктором Джоном Йеном, при сотрудничестве с фирмой «Груммэн-аэроспэйс», в 1975 г. Исследования проводились на установке типа «торнадо», в которой имитировались условия движения воздуха в одноимённом природном явлении и рассматривались процессы преобразования энергии в потоке. Оказалось, что ветротурбины этого типа преобразуют не только кинетическую энергию потока, но и статическую его составляющую. За счёт своей принципиально отличающейся структуры они имеют, по сравнению с традиционными ветряками, значительно большую мощность. В научно-технической литературе за установками такого типа закреплено название «торнадо-ветровая энергетическая система» (ТВЭС).

Принцип работы ТВЭС таков: ветровой поток входит в башню цилиндрического концентратора (снизу и через специальные прорези по всей поверхности) и закручивается, образуя разрежение в осевой части, куда сверху устремляется часть внешнего воздушного потока, раскручивая таким образом турбину.

ТВЭС имеет высокие технические, технологические, экологические и экономические параметры. В отличие от традиционных ВЭУ с горизонтальной осью вращения ротора у ТВЭС роторы с вертикальной осью вращения, поэтому их не надо устанавливать «на ветер» — в этом их большое преимущество. Для работы им достаточно ветра с самой малой скоростью, так как принцип работы использует энергию скрытой теплоты (влажности) воздуха, которая при меньшей скорости ветра больше. При этом ТВЭС могут использовать и энергию Солнца — конвективный подъём нагретого воздуха. ТВЭС работают практически бесшумно и максимально адаптированы к окружающей среде и интересам человека. Они вписывается в статический ландшафт, так как не имеют внешне видимых вращающихся частей (и, следовательно, более безопасны), не требуют зон отчуждения, могут быть размещены в местах проживания и быть частью конструкции жилища.

Из-за простоты конструкции ТВЭС не требуют спецпроизводства — монтаж и строительство ТВЭС могут осуществлять обычные СМУ.

В настоящее время в мире построено много исследовательских установок ТВЭС: в Испании (мощность 100 кВт), в Бразилии, в Мексике. С участием автора в 1993 г. в Комсомольске-на-Амуре была построена исследовательская установка мощностью 20 кВт, в 1995 г. в Иркутске на базе Иркутского госуниверситета ТВЭС мощностью 0,5 кВт, в 1998 г. при поддержке фирмы «Байкал-Маг» в районе п. Жилкино была смонтирована ТВЭС 0,5 кВт. Предварительные замеры мощности на этих установках, показали, что в целом ТВЭС не конкурентны с обычными ВЭУ в классе малых и средних (до 100 кВт) мощностей. Большинство исследователей утверждают, что ТВЭС — энергетика больших мощностей.

Наблюдение природных явлений, таких как торнадо и подобных вихрей, позволяет заимствовать и использовать механизм преобразования энергии естественных вихрей в энергетических установках. Очень интересен и является ключевым природный механизм запуска вихря. Исследования в этом направлении и смежных областях проводятся непрерывно, и, видимо, перспектива создания «рукотворного» торнадо не такая уж далёкая. Эксперты оценивают её в 15-20 лет.

Появление на сцене ТВЭС кардинально изменит структуру энергетики и её региональную привязку.

«Пищей» для ТВЭС является энергетически насыщенная среда (влажный воздух), стало быть, большинство ТВЭС будет сосредоточено на побережье морей и океанов, а то и на передвижных океанических платформах с системами передачи и аккумулирования энергии в виде жидкого водорода и его соединений.

Большая океаническая энергетика потребует огромных затрат человечества на своё создание и функционирование. И есть уверенность, что молодое поколение 21-го века найдёт применение своим силам и интеллекту на ниве экологической энергетики, во благо чистоте и сохранности нашей планеты Земля.

Фото автора