sbornaja-informatsija-po

СБОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ ПО ВЕТРОПРОЕКТУ НА МАЙ 2011 г
Усреднённые результаты 10-летнего мониторинга ветров
в самом ветреном месте России, а также – в Петербурге.
1
ПРОЕКТ «ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА».
Уважаемые господа!
Мир встревожен проблемами альтернативной энергетики - как после публикации доклада Сэра
Николаса Штерна об экономических аспектах грядущего глобального потепления,
так и в связи с данными мониторинга состояния арктических льдов, ледников Гренландии
и Антарктики. Отвечая на эти вызовы, два года назад объединенная Европа создала Агентство по
альтернативной энергетике -IRENA, объединяющее нынче 148 стран. (Россия, увы, туда не входит).
В апреле прошлого года, выступая перед национальной Академией Наук США, Президент Обама
заявил,, что «Энергетика — это наш важнейший проект, важнейший проект этого поколения» и
сообщил об учреждении «Агентства передовых исследовательских проектов для энергетики» «ARPA – E»
Известно, что в настоящий момент единственным ресурсом с конкурентоспособной ценой
электроэнергии в европейских странах является ветровая энергия. Но даже при средней скорости
ветра 10м/сек, мощность, которую он несет, равняется всего 612 Вт/кв.м., (что близко к плотности
солнечной энергии в средних широтах). Поэтому для получения заметных мощностей от
ветропарков приходится занимать под них десятки и сотни квадратных километров земной
поверхности, размещать на них сотни и тысячи ветряков, которые, кроме большого объёма
капзатрат привносят в жизнь и специфические проблемы, такие, как помехи перелётам птиц, шум,
искажение пейзажа.
В связи с этим я хотел бы предложить заняться освоением высотных ветроэнергетических
ресурсов. Из метеорологических наблюдений известно, что в атмосфере земного шара, постоянно
нагреваемой Солнцем и, из-за вращения Земли вместе с атмосферой, регулярно, каждые сутки,
попадающей в зону ночной тени, и охлаждающейся там, существуют так называемые струйные
течения – постоянные ветровые потоки на высоте около 10 км. над землёй.
Ширина этих потоков – сотни километров, толщина по высоте 1-2 км, длина струй –несколько
тысяч километров. Зона самых мощных течений – широты от 30° до 40°.
скорости ветра там достигают 200 м/сек, но обычно держатся около 80 –100 м/сек (на оси
струйного течения). В средних широтах, в России, например, скорости ветра составляют от 30
м/сек - до 65 м/сек. (средние за годовой период наблюдений)
Поскольку мощность ветрового потока, которую можно превращать в электроэнергию, прямо
пропорциональна третьей степени скорости ветра, то, даже несмотря на то, что на высоте 10 км.
плотность воздуха в 3,5 раза меньше, чем у поверхности Земли, мощности на квадратный метр
ветрового потока, составляют там 50 – 200 кВт/кв.м. (Это против 612 Вт/кв. м.– у земли!)
2
Таким образом, чтобы получить мощность 500МВт, как от крупнейших ветропарков Америки,
занимающих на земле 120 – 140 кв.км., на высоте достаточно процедить с КПД, например, 10%,
всего 20-100 тыс. кв. м.ветра, то есть квадрат со стороной 140 -- 310 метров!
Струйные течения дуют постоянно. Правда, их направление плавно меняется в течение года в
пределах ± 15 градусов, а из-за дрейфа оси течения, где скорость максимальна, скорость в данной
точке над Землёй будет тоже меняться, но путём мониторинга ветровых потоков можно будет
найти зоны, где ось потока стабильна и изменение скорости будет небольшим. Ведь, по существу,
до сих пор струйные потоки были изучены очень мало, так как их приходилось учитывать только
при полёте самолётов.
После того, как заманчивость струйных течений, как мощного источника экологически чистой
энергии, стала яснее, осталось понять, как разместить ветрогенераторы на высоте 10 километров.
В литературе упомянуты идеи аэростата( СССР,Германия), привязного самолёта (США) и
воздушного змея (Австралия).
Я предложил бы для этой цели использовать оригинальную привязную летающую платформу,
имеющую форму круглого диска, диаметром, например, 200 метров, плоское дно и выпуклый
сферический верх из надутой избыточным давлением воздуха прочной армированной пленки.
Такая грибообразная платформа будет висеть в потоке ветра за счёт аэродинамической
подъёмной силы, а также от силы ветрового напора на наклоненное плоское дно , а от смещения
она должна быть зафиксирована тремя кевларовыми тросами, закреплёнными на земле в
вершинах равностороннего треугольника ( на расстояниях 10-15 км друг от друга)
Эти тросы должны также служить для передачи выработанной на платформе электроэнергии
вниз, на землю. Передавая энергию на высоком напряжении, можно будет получить невысокую
силу тока в тросах и, соответственно, небольшие омические потери.
Так, для передачи 500Мвт на напряжении 1 МВ достаточен ток 500А, который может быть
передан по медному проводу сечением120 кв.мм.(диаметром около14мм). Такой провод длиной
15 км весит менее 16 тонн. В то же время разрывное усилие кевларового каната диаметром 80мм
превышает эту силу в 20 раз!
Впрочем, определённые омические потери энергии даже полезны, они нужны для нагрева
тросов, чтобы предупредить их обледенение (опасное в интервале высот 0 –3 км).
Поднять платформу в небо снизу, с земли, где скорость ветра ещё слишком мала для создания
нужной аэродинамической силы, можно, надув оболочку для начала не воздухом, а гелием или
водородом, а уже затем, наверху, по мере стравливания легкого газа, его можно будет
постепенно заменять воздухом.
Ветроэнергетическое оборудование подниматься на платформу также должно потом, когда
платформа будет зафиксирована наверху, по тросу, закрепленному в центре платформы и
идущему вертикально вниз, устройством наподобие лифта. С помощью этого лифта будет
впоследствии проводиться и обслуживание платформы сменным персоналом. А также его можно
будет использовать как аттракцион, для прыжков с парашютом и прочих спортивных радостей, не
говоря уж о широких возможностях получения с платформы информации для нужд метеорологии,
использования её для ретрансляции сигналов связи и перспективе освещения городов в ночное
время.
Рисунок такой платформы я привожу в приложении.
3
Конечно, для реализации такого проекта ещё предстоит исследовать массу вопросов и
решить множество технических, юридических и организационных проблем, финансирование
которых под силу только консорциуму международных фондов.
Но дело обеспечения человечества экологически чистой и постоянной энергией, мне кажется,
стоит этих усилий, и, возможно, уже лет через двадцать пять гирлянды платформ, парящие
высоко в небе, станут столь же обыденным зрелищем, какое представляют сейчас ряды ветряков
на мелководных морских просторах Европы.
Замечу, что сходные идеи весьма детально, как я недавно узнал, разрабатывал ещё в 70х годах
прошлого века немецкий инженер Герман Оберт, и в 1979г. даже началось проектирование
первой установки в Австрии, но затем немецкое правительство свернуло работы из-за недостатка
средств и лоббистских усилий конкурентов - строителей атомных электростанций. К сожалению, и
инженерные решения Г. Оберта были довольно наивными и потому – уязвимыми.
Сейчас же, после катастрофы с японскими АЭС, общественное мнение и в Германии и в Японии
переменилось и настал подходящий момент для того, чтобы вернуться к забытым идеям.
Я представляю, что сейчас усилия международного консорциума должны будут быть
направлены на поиск решений в следующих направлениях:
1.Изучение результатов наблюдений струйных течений , мониторинг ветровых потоков и поиск
оптимального места для строительства первой опытной станции и мест на перспективу,
оптимальных с точки зрения сближения мест производства энергии и её потребления.
2.Создание аэродинамической трубы постоянного потока со скоростями
воздуха до 200 м/сек для отработки конструкций как самой платформы, так и ветроприемного органа (ветряк пропеллерного типа тут решительно не подходит).
3.Разработка преобразователя энергии ветра в электроэнергию – на каких-то новых
принципах ( одна идея у меня есть – над её реализацией работу я веду уже сейчас - см.
Программу НИОКР в приложении к письму).
4.Разработка сверхпрочных композитных материалов для платформы, материалов для тросов и
проводов.( Уже сейчас выпускаются тросы из кевлара, имеющие разрывную длину под
собственным весом -150км. и прочность на разрыв - 330 тн. при диаметре 80мм.
Я по образованию -- инженер-физик, по опыту – разработчик нестандартного оборудования,
предприниматель (9 лет имел научно-технический кооператив «Приборостроитель»).
Сейчас у меня имеется в Петербурге, на заводе «Сантех», арендуемая площадь (55 кв.м.) с
определённым оборудованием, на которой я и проводил опыты по направлению N3.
Я заинтересован в поиске бизнес-ангела или фонда, которые могли бы стать инвестором
этого начального этапа работ с получением серьёзных прав на будущее. Программа работ и
необходимый объём финансирования будут согласовываться на переговорах сторон, на первом
этапе речь идёт о затратах 75 тыс. евро на один год.
Найденные решения должны быть запатентованы, патентовладельцем будет инвестор, и тогда
они смогут быть предложены как интеллектуальная собственность на переговорах о привлечении
серьёзного, скорее всего – западного инвестора или фонда для финансирования второго этапа
работ,
4
Буду признателен за оценку моих предложений и соображения о возможности Вашего участия
в этом проекте, хотя бы в качестве посредника в привлечении капитала или поиске бизнес-ангела.
С уважением , Юрий Феликсович Головин.
Эл. почта- golovin1946@gmail.com
.
Россия 191119 Санкт-Петербург ул. Черняховского 11 кв. 19. Тел. +7-953-346-54-71
10.09. 2011г
ПРИЛОЖЕНИЯ :
5
6
СИСТЕМА ВОЗДУШНЫХ ЗМЕЕВ С АЭРОСТАТОМ ПО ГЕРМАНУ ОБЕРТУ 1977г.
7
8
( Обзор 1987г.)
ОБЩИЙ ПЕРЕЧЕНЬ НАПРАВЛЕНИЙ РАБОТ ПО ВЕТРОПРОЕКТУ.
А. Мониторинг струйных течений.
1. Выяснение (через литературные источники, Интернет) возможности наблюдения
струйных течений в атмосфере с метеоспутников и МКС.
2. Выяснение возможности дистанционного измерения скорости ветровых потоков с
земли.
3. Поиск информации для уяснения стабильности потоков по скорости над данным
местом земной поверхности в течение года. Выбор места для опытной станции.
В. Конструкция платформы.
1. Выбор конструкционных материалов для рамы, для оболочки, для тросов, для
проводов, работоспособных при - 56⁰С. Отработка конструкции платформы.
2. Разработка способа монтажа длинных (15км) тросов и устройство лебёдок.
3. Выбор способа передвижения лифта для обслуживания платформы.
4. Предотвращение обледенения тросов и самой платформы.
9
5. Оценка влияния порывов ветра и гроз.
С. Ветроэлектропреобразователь.
1. Сравнение предельных возможностей электромагнитных и электростатических
генераторов.
2. Сравнение способов преобразования кинетической энергии ветра в механическое
движение элементов ветроэлектропреобразователя.
3. Способы получения (на платформе) высокого напряжения (с целью снижения силы тока
и уменьшения сечения передающих ток проводов).
4. Преобразование тока и напряжения на земле, передача электроэнергии в сеть.
5. Меры обеспечения надежности и ремонтопригодности, достаточного срока службы
для элементов платформы и ветроэлектропреобразователя.
6. Принципы монтажа оборудования и платформы на высоте из частей и узлов,
поднимаемых туда на лифте.
7. Меры для повышения автономности работы оборудования платформы.
Принципы обслуживания платформы.
8. Срок службы платформы, способ её посадки на землю по окончании срока службы.
D. Выбор мощности единичной платформы.
1. Определение степени торможения ветрового потока.
Выбор КПД ветроэлектропреобразователя.
2. Выбор ряда номинальных мощностей и способа суммирования мощности нескольких
платформ.
Е. Участники проекта.
1. Определение заинтересованных стран – участников для разработки, для постройки
платформ, для организации эксплуатации, для использования полученной энергии.
2. Определение пригодной для организации проекта международной организации
(в том числе – IRENA и ARPA-E ).
3. Определение фирм – участниц проекта. Выбор способа финансирования их работ.
4. Составление и согласование программы работ. Определение сроков и этапов работы.
10
ПРОЕКТ ПРОГРАММЫ НИОКР ПО ВЕТРОПЛАТФОРМЕ.
(для российского сектора)
ПЕРВАЯ ОЧЕРЕДЬ РАБОТ (Продолжительность – 2 года).
1. Арендовать помещение 200 кв.м. (Отапливаемый ангар или капитальное здание).
2. Требования: электрическая мощность – 220/380 В. (25кВт--первая очередь,
200 кВт – вторая очередь). Вода холодная и горячая. Выгородки – бытовая (для
обслуживающего персонала), склад материалов, склад оборудования, мастерская.
3. Приобрести вентилятор высокого давления, измерительную аппаратуру для
измерения электрических и механических величин и параметров, материалы для
создания моделей платформы , её узлов и агрегатов, необходимые инструменты.
Создать испытательный канал (открытый) с регулируемой скоростью воздушного
потока до 60м/сек.
4. Разработать несколько вариантов конструкции платформы, построить
соответствующие уменьшенные модели, испытать их в воздушном потоке,
замерить и проанализировать необходимые параметры, составить научный отчет.
5. Создать и испытать модель пьезокерамического ветроэлектропреобразователя.
6. Создать и испытать модели электростатического преобразователя с
трибозарядкой и с емкостной зарядкой.
7. Оценить возможности электромагнитного преобразователя, испытать несколько
моделей.
8. Проанализировать полученные результаты с точки зрения КПД, надежности,
долговечности разных вариантов преобразователя и выбрать конструкции для
дальнейших испытаний.
ВТОРАЯ ОЧЕРЕДЬ РАБОТ (Продолжительность – 1 год).
1. Приобрести необходимое оборудование и построить аэродинамический
испытательный стенд с замкнутым термоизолированным каналом.
Размеры: длина – 30м, ширина -2м. высота – 7м.
Размеры рабочей зоны – 3м х 1,5м х1,5м.
2. Обеспечить регулирование скорости потока воздуха от 10 до 200 м/сек.
и охлаждение воздуха до температуры - 60⁰С.
3. Провести комплексные испытания выбранных моделей платформы и
ветропреобразовательного оборудования. Составить научный отчет
с программой дальнейших работ.
(стоимость работ второй очереди должна быть уточнена позже).
11