Арктическая ветроэнергетическая установка

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования в качестве экологически чистого возобновляемого источника тепловой и электрической энергии в Арктике и других районах Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, отличающихся низкой температурой атмосферного воздуха, сильными ветрами и практически круглогодичным отопительным периодом.

В настоящее время для энергоснабжения различных объектов в указанных районах нашей страны используются автономные источники энергии небольшой мощности (до 1 МВт), преимущественно в виде дизельных электростанций (ДЭС) и отопительных котлов, работающие на не возобновляемом органическом топливе. По данным заместителя председателя Правительства РФ Д.О. Рагозина (в ходе заседания Государственной комиссии по вопросам развития Арктики, состоявшемся 9 июня 2016 года в Новосибирске), на эти цели ежегодно завозится 6-8 млн. тонн нефтепродуктов, преимущественно в виде дорогостоящего арктического дизельного топлива и около 20-25 млн. тонн каменного угля. Общая стоимость органического топлива более 500 миллиардов рублей [1]. Топливо доставляется потребителям ежегодно летом в ходе так называемого «Северного завоза».

Огромные бюджетные средства, расходуемые на «Северный завоз», являются следствием как удаленности потребителей от источников снабжения, так и слабой транспортной инфраструктуры указанных районов нашей страны. По этой причине стоимость топлива в Арктике и других районах Крайнего Севера нередко удваивается и утраивается, по сравнению с ценами производителей [1]. Еще боле ста лет назад наш выдающийся соотечественник Д.И. Менделеев утверждал: «Сжигать нефть - это все равно, что топить печь ассигнациями». Однако, несмотря на это, до сих пор Крайний Север отапливаем «ассигнациями».

Кроме огромных затрат, применение для указанных целей органического топлива, особенно мазута и каменного угля, крайне нежелательно по экологическим соображениям, поскольку при сжигании такого топлива выбрасывается в атмосферу Арктики ежегодно около 300 млрд. м³ дымовых газов, в том числе сотни тонн сажи, сернистого ангидрида (SO₃), окислов азота (NO₂) и парниковых газов (СО₂), губительно действующих на растительный и животный мир тундры.

Кроме того, существенным недостатком арктических тепловых генераторов (котлов), небольшой мощности, работающих на сравнительно дешевом твердом топливе - каменном угле, является: нерешенность проблемы автоматической подачи в топки котлов топлива и удаления из них шлака, а также их низкий КПД, необходимость содержания при этом специального персонала - кочегаров, в условиях тяжелого и вредного для здоровья человека ручного труда [2].

Вместе с тем реальной альтернативой углю и мазуту в настоящее время может быть только дорогостоящее арктическое дизельное топливо, однако такая замена, не решая кардинально экологическую проблему, повысит и без того высокую стоимость «Северного завоза» еще примерно в полтора раза.

Экологический ущерб при производстве энергии в Арктике может быть существенно уменьшен при применении в качестве топлива сжиженного природного газа (СПГ). Однако, в связи с тем что температура СПГ составляет минус 161°C, его применение для указанных целей потребует коренной перестройки существующих средств доставки топлива, а также применения специальных (криогенных) устройств для длительного хранения, подачи и сжигания СПГ в ДЭС и в отопительных котлах.

Для целей энергообеспечения объектов Арктики могут быть также использованы разработанные в последнее время атомные станции малой мощности (АСММ), но их применение непосредственно связано с решением проблемами безопасности этих установок, а также утилизации радиоактивных отходов, в том числе выработавших свой ресурс ядерных реакторов.

Несмотря на то, что атомной энергетике уже более 60 лет, однако крупнейшие катастрофы на АЭС с гибелью людей и с убытками в сотни миллиардов долларов происходят недопустимо часто, с учетом, разумеется, их масштабов. Причем, эти катастрофы происходят в самых передовых в научном и техническом отношении странах мира: в США (Три-Майл-Айленд, 1979 г.) в СССР (Чернобыль, 1986 г.) и в Японии (Фукусима, 2011 г.). Эти катастрофы самым убедительным образом свидетельствуют о бессилии современной науки и техники гарантировать безопасность атомной энергетики, тем более - в условиях наличия у наших вероятных противников высокоточного оружия с особым электромагнитным эффектом (ЭМИ).

Анализ опыта использования известных генераторов тепловой и электрической энергии для решения энергетических проблем в Арктике, показал низкую приспособляемость, либо полную непригодность данной техники к применению ее условиях Крайнего Севера. Кроме того, такая адаптация известных технологий связана, как правило, с огромными экономическими и экологическими потерями.

В настоящее время проживает в Арктике 2,5 миллионов человек. В ближайшие годы (в течение 15 лет) эта численность может увеличиться в несколько раз. Наша страна планирует реализовать в Арктике около 150 проектов, на сумму 5 триллионов рублей. Для этого, кроме денег, нужны квалифицированные кадры, которые будут работать на Крайнем Севере только в условиях, соответствующих современным стандартам жизни.

Поэтому неслучайно, что Заместитель Председателя Правительства РФ Д.О. Рагозин, в ходе упомянутого выше заседания Государственной комиссии по вопросам развития Арктики, заявил, что «Арктическая зона обладает как существенным потенциалом, так и насущной потребностью в применении возобновляемых источников энергии, … прежде всего энергии ветра, солнца, малых рек… Кроме того, возобновляемая энергетика - один из ключевых факторов обеспечения экологической безопасности в Арктике и, одновременно, сохранения коренных народов Севера» [1].

Таким образом, для выполнения исключительно важной государственной программы по освоению Арктики необходимы принципиально новые, экологически чистые генераторы тепловой и электрической энергии, работающие на возобновляемых энергоносителях, таких как ветер, солнечное излучение, гидроэнергия рек и приливов, тепло недр Земли и т.п.

Учитывая высокую скорость ветров в Арктике, их достаточно высокую стабильность, в том числе и независимость от времени суток и года, можно утверждать, что именно ветер является наиболее эффективным источником энергии на Крайнем Севере и Дальнем Востоке. Потенциальные возможности использования ветра, для преобразования его тепловую и электрическую энергию, определяются, прежде всего, тем, что мощность воздушного потока N в кубе зависит от скорости ветра [3]:

где ν - скорость ветра, ρ - плотность воздуха, S - ометаемая площадь.

Например, при скорости ветра в Арктике 40 м/с и температуре воздуха минус 40°C, мощность пока воздуха площадью 1 м² составляет около 100 кВт. Однако известные энергетические установки - ветроэлектрические станции (ВЭС), предназначенные для выработки электроэнергии стандартного качества, используют потенциальную энергию ветра далеко не полностью (не выше 50%) и в настоящее время, как правило, с приведенными затратами превышающими затраты на эти же цели тепловых станций, например ДЭС.

Для достижения сравнительно высокого коэффициента использования ветра известные ВЭС должны иметь в своем составе ряд дорогостоящих устройств: массивный бетонный фундамент, высокую прочную мачту (башню); рабочее ветроколесо с лопастями, большого диаметра, систему поворота (изменения угла атаки) лопастей, тормозную систему; коробку передач (мультипликатор); электрический генератор с контактными кольцами (токособирателями); инвертор; выпрямители; аккумуляторы; блок управления с системой автоматического поворота ветроколеса на ветер; систему молниезащиты и т.д.

Кроме того, ветродвигатели могут работать с высоким КПД только при заранее определенном соотношении скорости ветра и окружной скорости (оборотах) ветроколеса, то есть только стабильном, при наперед заданным коэффициенте быстроходности [3], что достичь в во всем диапазоне и постоянно меняющейся скорости ветра, используя известные технические решения, до последнего времени было практически невозможно.

Этот фундаментальный недостаток ветроэнергетики заявителю удалось решить за счет преобразования кинетической энергии ветра в тепловую и электрическую энергию, патенты РФ №2231687 С1, 27.06.2004; №2253040 С1, 27.05. 2005; №2576074 С1, 02.02.2016: №2610164 С1, 08.02.2017 (4-7). В указанных устройствах автоматически поддерживая оптимальное значение быстроходности ветроколеса ветродвигателя при изменении скорости ветра, что позволяет существенно повысить эффективность ветродвигателей (повысить коэффициент использования ветра и одновременно понизить капитальные затраты, в расчете на киловатт установленной мощности) [3].

Но наиболее близким с заявленным изобретением по устройству и назначению с известным техническим решением, преобразующим кинетическую энергию ветра в теплоту, следует считать ветротеплогенератор (патент RU 2576074 С1) [6], в котором использованы ортогональный ветродвигатель и тепловой генератор, работающий по принципу регулятора Уатта, что исключает необходимость применения сложного мультипликатора, инвертора и ряда других дорогих и малонадежных устройств. Одновременно это техническое решение не требует постоянной корректировки поворота ветроколеса ветродвигателя «на ветер» (навстречу ветру).

С учетом изложенного ветротеплогенератор (патент RU 2576074 С1) принят в качестве наиболее близкого аналога-прототипа заявленному устройству. Вместе с тем выбранному прототипу, как и другим известным ветроэнергетическим установкам, присущ существенный недостаток, особенно в условиях Арктики, - низкая живучесть (потеря прочности и устойчивости) в условиях сильных ветров (максимально возможные порывы ветра на побережье Северного Ледовитого океана достигает 75 метров в секунду), а также вибраций установки в условиях неравномерного обледенения подвижных ее элементов, особенно - ветроколеса.

Давление ветра (прокидывающая нагрузка) на ветроэнергетическую установку прямо пропорционально массовой плотности воздуха, ее наветренной поверхности и квадрату скорости ветра [3]:

Р=C_xρFν².

где С_{х -} коэффициент сопротивления, учитывающий обтекание поверхности ветроустановки, зависит от ее формы;

ρ - плотность воздуха;

F - поверхность ветроэнергетической установки в направлении ветра;

ν - скорость ветра.

В условиях Арктики опрокидывающая нагрузка на современную ветроэнергетическую установку, из-за давления ветра, может достигать огромных значений. Например, опрокидывающая нагрузка на ветроэнергетическую установку мегаваттного класса, с диаметром ветротурбины около 100 м, может превышать более 10000 тыс. тонн. При таком воздействии очень сложно известными техническими решениями обеспечить живучесть ветроэнергетической установки в Арктике. Прежде всего, из-за недостаточной прочности ее фундамента, поскольку он расположен, как правило, в вечномерзлых льдонасыщенных грунтах, к тому еще периодически (летом) оттаивающих, поэтому имеющих неравномерную осадку 10-40% от мощности оттаявшего слоя.

Деградация мерзлых пород и вибрация ветроэнергетической установки приводит к резким изменениям условий функционирования ее фундамента, поскольку прочностные и деформационные свойства грунта очень существенно (в разы) зависят от его температуры [8].

В настоящее время этот недостаток прототипа устраняется за счет применения особо прочного бетонного фундамента, больших размеров, а также его расположением (заглублением) значительно ниже глубины оттаивания грунтов, что существенно (примерно в два раза) удорожает строительство, что делает ветрогенерацию в Арктике не конкурентно способной по отношению к теплогенерации (см. газету «Энергетика и промышленность России», №01-02 [333-334]. - М.: изд. ЭПР, 2018, стр. 10).

В связи с изложенным, проблема обеспечения живучести ветроэнергетических устройств, в том числе устойчивости и прочности их фундаментов в условиях опрокидывающего воздействия арктических ветров требует новых нестандартных решений, позволяющих отказаться от громоздких и дорогих бетонных фундаментов, заменив их легкими и прочными конструкциями.

Указанный технический результат достигается за счет выполнения фундамента арктической ветроэнергетической установки, в виде понижающей температуру и одновременно повышающей в несколько раз прочность арктического грунта (вечной мерзлоты), и фундамента, выполненного в виде работающей по принципу термосифона трубчатой конструкции, содержащей испаритель в виде расположенных в вечной мерзлоте герметичных вертикальных скважин, частично заполненных легкокипящей жидкостью, например аммиаком, а также конденсатор, совмещенный с трубчатым основанием мачты, способных при более низкой температуре атмосферного воздуха, чем температура вечной мерзлоты, понижать температуру вечномерзлого грунта с повышением его прочности, одновременно повышая прочность фундамента и живучесть арктической ветроэнергетической установки в целом.

Устройство работает следующим образом: в холодное время года, когда температура атмосферного воздуха понижается значительно ниже температуры грунта (минус 4-8°C), в котором расположены скважины, происходит охлаждение и конденсация насыщенных паров легкокипящей жидкости (теплоносителя) в конденсаторе - трубчатом основании мачты ветроустановки, теплоноситель в виде жидкости под собственным весом опускается в скважины (испарители), имеющие более высокую температуру, чем температура атмосферного воздуха, которая в холодное время года может понижаться в Арктике до минус 40°C и ниже. В скважинах легкокипящая жидкость (теплоноситель) нагревается и превращается в пар, охлаждая стенки скважин и грунт, где они расположены. Пар поднимется вверх в трубчатое основание мачты (конденсатор), где он снова охлаждается, конденсируется и в виде жидкости стекает вниз, в скважины (испарители). Этот процесс идет непрерывно до тех пор, пока температура вечномерзлого грунта и температура атмосферного воздуха не станут равными. Данное устройство позволяет в условиях Арктики понизить температуру и одновременно повысить в несколько раз прочность вечномерзлого грунта [8], и расположенного в нем фундамента ветроэнергетической установки, за счет гравитационных сил естественного теплообменных процессов в природе. При этом отпадает необходимость строительства массивного и дорогого бетонного фундамента в вечномерзлом грунте.

Новым в заявляемом изобретении является выполнение фундамента в виде трубчатой конструкции, работающей по принципу термосифона, содержащей испаритель в виде расположенных в вечной мерзлоте герметичных вертикальных скважин, частично заполненных легкокипящей жидкостью, например аммиаком, а также конденсатор, совмещенный с трубчатым основанием мачты, т.е. устройств, способных при более низкой температуре атмосферного воздуха, чем температура вечной мерзлоты, понижать температуру вечномерзлого грунта с повышением его прочности, одновременно повышая прочность фундамента и живучесть ветроэнергетической установки в целом.

Данное техническое решение не выявлено из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень»

Устройство технологично, просто в изготовлении и применимо в условиях вечномерзлых грунтов труднодоступных районов Арктики. Оно позволит решить проблему не только энергоснабжения этого важнейшего для будущего района нашей страны, сократив на сотни миллиардов рублей так называемый ежегодный «Северный завоз» органического топлива, но и одновременно решить экологическую проблему, с которой непосредственно связанно будущее коренных народов Крайнего Севера.

Заявляемая арктическая ветроэнергетическая установка поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен ее вид сбоку.

Ветроэнергетическая установка представляет собой ротор Дарье (турбину Дарье) 1 на опорной мачте 2, расположенной вертикально, перпендикулярно потоку воздуха. Данное устройство предложено в 1931 году авиаконструктором Жоржем Дарье. В настоящее время ротор Дарье за рубежом, кроме нашей страны, нашел широкое применение в ветроэнергетике, особенно в арктических районах, поскольку он более устойчив, по сравнению с другими устройствами аналогичного назначения, в условиях сильных порывов ветра, достигающих 75 м/с. Такие скорости ветра бывают редко, но надо учитывать и то, что расчетный срок службы заявленной ветроэнергетической установки должен быть не менее 25-30 лет, а также то, что отказ источника энергии в условиях Арктики, как правило, ведет к катастрофическим последствиям с гибелью людей. Устойчивость ротора повышается также за счет использования растяжек 3. Ротор Дарье 1 соединен валом с генератором энергии 4, который размещен на трубчатом основании 5 мачты 2, выполняющем одновременно функцию теплообменника - конденсатора термосифона. Основание мачты 5 расположено на скважинах 6, пробуренных в арктическом вечномерзлом грунте 8. Скважины 6 частично заполнены легкокипящей жидкостью 7, например, жидким аммиаком или фреоном-12. Скважины 6 (испаритель термосифона) и трубчатое основание мачты 5 (конденсатор термосифона) для более эффективного теплообмена и выхолаживания арктического вечномерзлого грунта 8, до их заправки аммиаком 7, вакуумируют.

Ветер, воздействуя на арктическую ветроэнергетическую установку, вращает ротор Дарье 1 и генератор энергии 4, который может быть электрическим, тепловым или комбинированным, в зависимости от конкретных условий применения заявленной установки. Полученная энергия передается потребителям. Возникающие при работе арктической ветроэнергетической установи опрокидывающие и вибрационные нагрузки передаются через трубчатое основание мачты 5, на скважины 6 и арктический вечномерзлый грунт 8, температура которого в обычном состоянии примерно на порядок выше, чем температура арктического воздуха в холодное время года. При сравнительно высокой температуре (минус 4-8°C) жидкий аммиак 7 в скважинах 6 (испарителях) превращается в газ, который за счет гравитационных сил поднимается вверх в трубчатое основание 5 мачты (конденсатор), где этот газ, под воздействием низкой температуры атмосферного воздуха (минус 30-40°C) конденсируется и превращается в жидкость, которая и под собственном весом стекает обратно в скважины 6 (испарители), где жидкий аммиак 7 снова нагревается и превращается в газ. Далее процесс повторяется до тех пор, пока температура арктического грунта 8 не понизится до температуры арктического воздуха, то есть, от минус 4-8°C до минус 30-40°C. При этом существенно (примерно, во столько же раз) повышается прочность арктического вечномерзлого грунта 8, скважин 6 и других элементов фундамента, входящих в состав заявленной арктической ветроэнергетической установки.

В настоящее время для обычных условий эксплуатации разработаны ветроэнергетические установки, мощностью в несколько мегаватт [3], но в суровых условиях Арктики наиболее оптимальны, по условиям живучести и приведенным затратам, являются сравнительно небольшие ветроэнергетические установки, мощностью 100-500 кВт, причем оснащенные ортогональными ветродвигателями типа Дарье. Однако и в этом случае размеры (высота) таких устройств будут достаточно большими, например, высота в пределах 29-44 м.

Заявленное техническое решение, наряду с выполнением основного предназначения - выработки энергии, одновременно позволяет решить проблему живучести данной арктической установки в условиях Крайнего Севера, где порывы ветра нередко достигают 75 м/с. Если мощности одной ветроустановки будет недостаточно для решения поставленной задачи, то в этом случае целесообразно использовать несколько таких установок, объединив их в арктический ветропарк.

Предложенная арктической ветроэнергетическая установка проста в изготовлении, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «промышленная применимость»

Источники информации:

1. Рагозин Д.О. Северный полюс будет обустроен и заселен. - М.: Парламентская газета №12. 2016. - 83 с.

2. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. - М.: Энергоатомиздат. 1989. - 488 с.

3. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 392 с.

4. Патент РФ №2231687 С1 27.06.2004, МПК F03D 9/00.

5. Патент РФ №253040 С1, 27.05.2005, МПК F Патент РФ №2 03 D 9/00

6. Патент РФ №2576074 С1, 02.02.2016, МПК F03D 3/00 - прототип

7. Патент РФ №2610164 С1, 08.02.2017, МПК F03D 9/22

8. Г.Р. Жуковский. Океанография. Л.-М.: Издательство водного транспорта. 1953. - 412 с.