proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2021 год
  Агентство  ПРоАтом. 24 года с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
PRo Выставки
Testing&Control
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
Вышло в свет второе издание двухтомника Б.И.Нигматулина. Подробнее
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[28/01/2015]     Решение проблемы теплообеспечения районов Крайнего Севера

Н.А.Седых, д.т.н., проф., Лауреат премии Совмина СССР, НИИ (Военно-системных исследований) ВА МТО им.ген.армии А.В.Хрулева


Для теплоснабжения в районах Крайнего Севера, где среднегодовая скорость ветра составляет 8 м/с и более,  с успехом может использоваться принципиально новый источник возобновляемой энергии (ВИЭ) - ветротеплогенератор [1,2]. Мощность ветродвигателей Р пропорциональна ометаемой площади А (м2) и кубу скорости ветра u(м/с):


где CP– параметр, характеризующий эффективностьиспользования ветроколесом энергии ветрового потока;
ρ – плотность воздуха, кг/м3.

Следовательно,эффективность ветроустановок зависит от скорости ветра в кубической степени.Именно поэтому данные установки могут с успехом использоваться для теплоснабжения в районах Крайнего Севера. В настоящее время для этих целей в качестве источников теплоты (теплогенераторов) используют преимущественно котельные,работающие на твердом, газообразном или жидком топливе, и дизель-электрические станции (ДЭС), работающие на арктическом дизельном топливе.

Из-за низкой температуры воздуха отопительный период в районах Крайнего Севера продолжается практически круглый год. Для обеспечения нормальных условий жизнедеятельности людей в арктическом регионе необходимо ежегодно осуществлять «северный завоз», который по данным только одного из ведомств составляет 110 тыс. т дизельного топлива и228 тыс. т твердого топлива [3]. С учетом отдаленности потребителей и современных цен на топливо, стоимость «северного завоза» составляет около 5 млрд руб./год.Весь наш север забросан.

Кроме высоких затрат и экологических проблем (скопление пустых бочек из-под дизельного топлива), не решен целый ряд технических вопросов. Так, основным недостатком котлов небольшой мощности, работающих на твердом топливе, является отсутствие автоматической подачи угля в котел и удаления из него шлака, вследствие чего для эксплуатации таких котельных требуется специальный персонал.

Котельные на газообразном топливе автоматизируются легко, но их применение ограничено из-за отсутствия в непосредственной близости источников газа - газопроводов.

Основным недостатком котельных на жидком топливе является высокая стоимость нефтепродуктов, необходимость строительства мазутных хозяйств для хранения и подачи топлива, что при низких температурах воздуха представляет самостоятельную проблему, требующую дополнительных расходов энергии для подогрева с целью поддержания требуемой вязкости мазута.

В последнее время в качестве тепловых генераторов небольшой мощности стали использоваться электродные водогрейные котлы, работающие на электрической энергии от ДЭС [4]. Основными преимуществами таких источников теплоты является более широкая распространенность электрических сетей, по сравнению газовыми, а также простая и надежная система автоматики, позволяющая регулировать мощность таких теплогенераторов от 25 до 100 % без участия человека. Основным недостатком является высокая себестоимость вырабатываемой продукции - горячей воды из-за высокой стоимости электроэнергии вследствие низкого КПД ДЭС (не более 45%).


Ветроэлектрические станции ВЭС

Для уменьшения затрат на получение горячей воды в параллель к традиционным источникам электрической энергии ДЭС используют местные ветроэлектрические станции ВЭС [3]. Несмотря на то, что ВЭС работают на бесплатной энергии ветра, приведенные затраты на выработку единицы электрической энергии соизмеримы с затратами дизельных электростанций ДЭС [3].

Недостатком традиционных ВЭС является использование сложного дорогостоящего оборудования. Создание подобных станций требует больших капитальных затрат на: прочную высокую мачту,пропеллер, аэродинамические тормоза, коробку передач (мультипликатор), электрогенератор, контактные кольца (токособиратели), инверторы, выпрямители, аккумуляторы, блоки управления, системы автоматического поворота ветроколеса на ветер и т. д. Из-за переменной силы ветра, как по величине, так и по направлению, требуется сложная система автоматик. Усиление ветра с 2 до 6 м/с,то есть в три раза, увеличивает потенциальную возможность выработки электроэнергии станции в 27 раз. Но реализовать эти потенциальные возможности в полном объеме ветроэлектрическая станция не может. Каждый её элемент может работать с максимальным КПД только при определенных оборотах пропеллера (при наперед заданном коэффициенте быстроходности пропеллера) [3].

Ветротеплоустановки

Анализ энергопотребления на многих объектах Крайнего Севера, особенно в жилищно-коммунальном хозяйстве, показывает, что расход энергии в виде электричества составляет не более 15% от её общей потребности. Основная часть энергии потребляется в виде теплоты на отопление и горячее водоснабжение. Очевидно, что в этих условиях эффективнее применять ветроустановки (ветротеплогенераторы, ВТГ) для преобразования энергии ветра непосредственно в теплоту для отопления и горячего водоснабжения, а электроэнергию от внешних источников (ДЭС) или ветроэлектростанций(ВЭС) использовать только по прямому назначению, в крайнем случае - в электродных водогрейных котлах, выполняющих роль доводчиков температуры воды до требуемых значений, когда мощность ветротеплоустановки ВТГ окажется недостаточной, например, в сильные морозы [4].

Для получения теплоты непосредственно из ветра предлагаемый ветротеплогенератор ВТГ снабжается механическим нагревателем в виде мешалки с лопастями переменного радиуса, работающими по принципу центробежного регулятора (регулятора Уатта) [1, 2].

При вращении ветродвигателем лопастей мешалки в жидкости механическая энергия затрачивается на преодоление сил трения и, согласно первому закону термодинамики, практически полностью превращается в теплоту, в пропорции, т.н. механического эквивалента работы [7]:

J= 426,935 кгс м/ккал.

Применение мешалки с лопастями переменного радиуса, работающими по принципу центробежного регулятора (регулятора Уатта), с механическим приводом от ветродвигателя позволяет достаточно полно использовать кинетическую энергию ветра за счет стабилизации числа оборотов пропеллера при разной скорости ветра, а также решить проблему запуска ветродвигателя без каких-либо сложных систем управления и автоматики.

Существенным недостатком традиционных ветродвигателей [6] является наличие лопастного(пропеллерного) колеса с горизонтальной осью вращения, параллельной воздушному потоку. Такой ветродвигатель должен иметь аэродинамический стабилизатор или другое устройство, удерживающее ветроколесо в строго определенном направлении(навстречу ветру). Но направление ветра может изменяться достаточно быстро (особенно для ветроустановок небольшой мощности, имеющих невысокую мачту), что резко снижает эффективность (КПД) подобных устройств. Так, для ветродвигателей мощностью более 50 кВт, для установки ветроколес на ветер вынуждены применять электрические серводвигатели, усложняющие ветроустановку в целом.

Наилучшим образом поставленная задача может быть решена при использовании ветродвигателя без поворотного конического редуктора. Это достигается за счет исполнения ветротеплогенератора в виде ортогонального ветродвигателя, установленного на подшипниковом узле наверху неподвижной мачты. Вал такого ветродвигателя непосредственно соединен с ротором мешалки, лопасти которой за счет изменения радиуса их вращения оптимизируют значение быстроходности ветродвигателя,обеспечивая наибольший коэффициент использования воздушного потока системы в целом при разной скорости ветра.

Устройство работает следующим образом. Воздушный поток, набегая на лопасть ортогонального ротора, создает вращающий момент,который по вертикальному валу передается к механическому нагревателю воды в виде мешалки с подвижными лопастями. Мощность ветродвигателя при использовании ортогонального ротора не зависит от направления ветра, поэтому отпадает необходимость в устройстве поворота ветроколеса (пропеллера) на ветер.

При вращении лопастей мешалки в вязкой жидкости (например, в воде) за счет трения происходит преобразования механической энергии в теплоту.

Тепловая мощность мешалки определяется уравнением [7]:



где  А – константа, зависит от типа мешалки;
d – диаметр окружности, ометаемой лопастью,м;
п – число оборотов, об/с;
ρ – плотность жидкости (воды), кг сек24;
Μ – вязкость жидкости (воды), кг сек/м2.

Как видно из приведенного уравнения,мощность мешалки (количество выработанной теплоты) сильно (примерно в пятой степени) зависит от диаметра окружности, ометаемой лопастью мешалки, а также от числа её оборотов, которое в данном случае равно числу оборотов ортогонального ветродвигателя, поскольку эти устройства находятся на одном валу.

Из данной зависимости следует, что мешалка с подвижными лопастями, работающая по принципу регулятора Уатта, наряду с преобразованием механической энергии в теплоту,может быть эффективно использована для регулирования числа оборотов ортогонального ветродвигателя, автоматически обеспечивая оптимальное значение быстроходности ротора ветродвигателя при разной скорости ветра, достигая таким образом самый высокий КПД установки в целом. В существующих ВЭС эту задачу выполняет сложнейшая система специальной автоматики.

Кроме того, в предлагаемом устройстве значительно упрощается передача крутящего момента на лопасти мешалки. При этом не требуется конический редуктор (мультипликатор), существенно снижающий  надежность обычных ВЭС, и повышающий их сложность и стоимость. Обеспечение высокой надежности технических систем  в отдаленных районах Крайнего Севера и Дальнего Востока крайне важно вообще, а для систем обогрева людей это жизненно необходимо.

Предлагаемый ВТГ не требует топлива, отличается простотой, технологичен, обладает повышенной надежностью по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения.Такой источник тепловой энергии (генератор теплоты), работающий за счет возобновляемой энергии ветра, особенно эффективен в суровых климатических условиях Крайнего Севера, Камчатки, Курильских островов и других отдаленных регионов нашей страны, отличающихся сильными ветрами и низкими температурами воздуха.

Работа ортогонального ветротеплогенератора (ВТГ) поясняется чертежом, где на рис.1 изображен общий вид сбоку, а на рис.2 представлена его составная часть – мешалка (механический нагреватель), где непосредственно происходит выработка теплоты.

ВТГ состоит из ортогонального ветродвигателя, включающего вращающийся на вертикальном валу ротор, с лопастями 1, прикрепленными посредством радиальных траверс 2 к располагаемым в центре ступицам 3. Ветродвигатель установлен на трубчатой мачте4, внутри которой расположен вал 5, передающий вращающий момент от ортогонального ветродвигателя к ротору механического нагревателя (мешалки) 6, заполненному вязкой жидкостью (например, водой или трансмиссионным маслом) 7, в которой вращаются лопасти 8, присоединенные к валу 5 посредством стержней 9 к неподвижной 10 и подвижной11 муфтам. Внутри механического нагревателя (мешалки) расположен трубчатый теплообменник 12 для подогрева вторичной воды посредством трубопроводов 13 и 14в аккумуляторе (накопительной емкости) 15, из которого  по трубопроводу 16 горячая вода подается потребителям.Для возврата остывшей (обратной) воды и подпитки системы предусмотрен трубопровод 17.

ВТГ работает следующим образом. Исходное состояние: ротор ортогонального ветродвигателя и вал 5 механического нагревателя (мешалки) 6 не вращаются. Лопасти 8 механического нагревателя (мешалки) 6 за счет собственного веса прижаты к валу 5. Система обладает наименьшим моментом инерции, сопротивление жидкости 7 вращению лопастей 8 равно нулю. Такое исходное состояние ВТГ способствует раскручиванию ротора ортогонального ветродвигателя с лопастями 1 даже при слабом ветре. При увеличении оборотов ротора ортогонального ветродвигателя 1 за счет центробежной силы, действующей на лопасти 8 (как и в регуляторе Уатта), подвижная муфта 11,преодолевая силу тяжести, поднимается вверх, увеличивая радиус ометаемый лопастями 8. При этом увеличивается скорость вращения и трение лопастей 8 в вязкой жидкости 7, одновременно увеличивается интенсивность преобразования механической энергии в тепловую. Жидкость 7 в механическом нагревателе(мешалке) 6 нагревается за счет трения и передает тепловую энергию через трубчатый теплообменник 12 и трубопровод 13 воде, находящейся в аккумуляторе15. Из него нагретая вода по трубопроводу 16 поступает в систему отопления и горячего водоснабжения. Проходя по системам отопления и горячего водоснабжения зданий и сооружений, вода охлаждается и частично расходуется в сетях потребителей, от которых возвращается, дополнительно подпитывается из водопровода по трубопроводу 17. Затем цикл повторяется.

При усилении скорости ветра и увеличении выше расчетного числа оборотов ротора ортогонального ветродвигателя и связанного с валом ротора механического нагревателя (мешалки) 6, центробежная сила, действующая на лопасти 8,увеличивается. Под действием этой силы лопасти 8 дальше отходят от вала 5, увеличивая радиус и линейную скорость вращения лопастей 8. При этом резко(почти в пятой степени) увеличивается сопротивление жидкости 11, что тормозит вращение ротора ортогонального ветродвигателя, уменьшая скорость его лопастей1. При уменьшении скорости ветра происходит обратный процесс: центробежная сила, действующая на лопасти 8, уменьшается. Лопасти 8 под действием силы тяжести перемещаются ближе к валу 5, радиус вращения и линейная скорость их уменьшается, снижая сопротивление жидкости 7 вращению лопастей 8 в мешалке 6,число оборотов ротора ортогонального ветродвигателя и лопастей увеличивается до оптимального значения быстроходности ротора ортогонального ветродвигателя,обеспечивая, тем самым, максимальный КПД данного устройства.

Применение предлагаемого ветротеплогенератора в районах Крайнего Севера, отличающихся сильными круглогодичными ветрами, может быть чрезвычайно эффективным. Такой возобновляемый источник тепловой энергии решит навсегда чрезвычайно актуальную проблему отопления и горячего водоснабжения северных районов страны.

Решением Международного Жюри Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий данное техническое решение награждено двумя «Золотыми медалями» (2007 и 2011гг.).

В табл.1 представлены расчетные оценки возможностей предлагаемого технического решения  (параметры ветроэнергетических установок различной проектной мощности при скорости ветра 12 м/с). Параметры рассчитаны для коэффициента мощности Ср = 30% при плотности воздуха1,2 кг/м3   и быстроходности =6.

Табл.1 Расчетные оценки возможностей предлагаемого технического решения 


Класс ВЭУ


Расчетная (проектная)

мощность, кВт



Диаметр ветроколеса

D, м


Период вращения

Т, с

Малые

10   25

6,4   10

0,3   0,4

Средние

50   100   150

14   20   25

0,6   0,9   1,1

Большие

250   500   1000

32   49   64

1,4   2,1   3,1

Очень

большие

2000   3000   4000

90   110   130

3,9   4,8   5,7


Ориентировочная стоимость ветротеплогенератора составляет примерно 1000 долл. в пересчете на 1 кВт установленной мощности.

Список источников

1. Патент РФ № 2231687 С1 27.06.2004, МПК F 03 D 9/00
2. Заявка на изобретение РФ №2013145770 /06(070826) от 11.10 2013.

3. Толмачев В.Н., Орлов А.В., Булат В.А. Эффективное использование энергии ветра в системах автономного энергообеспечения. СПб.: ВИТУ. 2002- 203 с.

4. Арсеньев Г.В. и др. Тепловое оборудование и тепловые сети. М.: Энергоатомиздат,1988. 400 с.

5. Твайделл Дж., Уэйр А.Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. – М.: Энегоатомиздат. 1990.-392с.

6. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. Энергетические проблемы человечества. М.: Мир, 1995, 291 с.

7. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической промышленности. М.-Л. Государственное издательство научно-технической литературы, 1948, 916 с.

 

 
Связанные ссылки
· Больше про Альтернативные источники энергии
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Альтернативные источники энергии:
Новая ториевая энергетика: топливо, твэлы, реактор

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 4.33
Ответов: 3


Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 7 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Решение проблемы теплообеспечения районов Крайнего Севера (Всего: 0)
от Гость на 29/01/2015
Мощные ветряки в заполярье еще никто не использовал. Механика у них сложная, при экстремальных температурах будет вести себя непредсказуемо. А обслуживать это придется на ветерке с морозцем под 30-40 градусов. Я бы свою жизнь в зависимость от такой капризной штуки не поставил.
Более того, в большинстве районов Крайнего Севера, где живут и работают люди, зимой морозно и безветренно, за исключением побережья северных морей. Обычная ситуация - когда херачит мороз и ни дуновения ветерка. А греться нужно каждый день.


[ Ответить на это ]


Re: Решение проблемы теплообеспечения районов Крайнего Севера (Всего: 0)
от Гость на 29/01/2015
Для Антарктиды сгодилось бы.
Там на береговых станциях с ветром всё нормально.


[
Ответить на это ]


Re: Решение проблемы теплообеспечения районов Крайнего Севера (Всего: 0)
от Гость на 30/01/2015
Хотелось бы уточнить по цифрам: "среднегодовая скорость ветра составляет 8 м/с и более". Как это понимать? Российский Крайний Север это миллионы квадратных километров и везде дуют такие ветра? По всей видимости автор имеет ввиду узкую береговую линию вдоль северного побережья Ледовитого океана. Но нужно понимать, что это не весь Крайний Север, а его мизерная часть. Основная его часть это материк, часто с горным рельефом и резко континентальным климатом. Сильные, продолжительные ветра, особенно в период аномальных холодов, там крайне редки. Также стоит отметить, что именно эти районы богаты полезными ископаемыми и являются объектами промышленного освоения. Поэтому решение проблемы энергообеспечения Крайнего Севера задача сложная и затратная. И "северный завоз" это не прихоть, а, увы, необходимость. В этой связи, уже в который раз, приходиться уповать на внедрение АЭС малой мощности, адаптированной к работе в условиях КС.   


[ Ответить на это ]


Re: Решение проблемы теплообеспечения районов Крайнего Севера (Всего: 0)
от Гость на 03/02/2015


[
Ответить на это ]


Re: Решение проблемы теплообеспечения районов Крайнего Севера (Всего: 0)
от Гость на 03/02/2015
А ещё бы для "решения проблемы теплообеспечения" этих районов приспособить (присобачить) Северное Сияние!


[
Ответить на это ]


Re: Решение проблемы теплообеспечения районов Крайнего Севера (Всего: 0)
от Гость на 11/11/2015
Прекрасное предложение ! А в сочетании с гидроволновой технологии - о чем в своё время говорил разработчик данной технологии Афанасьев Владимир Степанович, получится супер система !


[ Ответить на это ]


Re: Решение проблемы теплообеспечения районов Крайнего Севера (Всего: 0)
от Гость на 26/10/2016
Неправильно! Лопасти ветряка должны вращать не "мешалку", а привод теплового насоса, тогда КПД возрастет в 3 - 7 раз.


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.08 секунды
Рейтинг@Mail.ru