Непробиваемая стена ветровой энергетики

Статью ни в коем случае не стоит рассматривать как отрицание ветроэнергетики в целом. Это просто иллюстрация, как под гудячий зелёный шум недобросовестные дельцы пилят баблос. Короче, следите за руками.

«Зелёные», как известно, бывают разные. Радужные-разноцветные. Коричневые. Красные.

Бывают даже вполне вменяемые Зелёные, вне зависимости от окраски. Не о них речь. Тут речь пойдёт о зелёных жуликах. Та-да! Продвинутая Ветростена™! В студию!

http://americanwindinc.com/our-products-3/advanced-windwall/

Наша самая передовая система ветряных турбин имеет мощность 100 киловатт (электрических). Это революция на рынке ветряных турбин. Не только из-за мощности или из-за размера, но из-за обоих. Ветростена™ представляет собой два массива из 50 Ветрокубиков™ каждый, укреплённых с обеих сторон центральной стойки. Стойка имеет у основания с червячный мотор-редуктор и может поворачиваться к ветру. Анемометр и флюгер в верхней части стойки раз в минуту сигнализируют о необходимости поворота, что обеспечивает максимальную эффективность установки при любых скоростях ветра. Ветростена™ может работать при скорости ветра начиная с 1,5 миль в час (2.4 км/ч, 0.67 м/с). Был проведён даже тест на скорости 140 миль в час (60 м/с).

Кривая мощности для Ветростены™ сильно отличается от традиционных ветровых турбин. Система начинает работать при ветре 1,5 миль в час, а выработка достигает максимума 100 кВт при скорости ветра около 17 миль в час. (При большей скорости ветра электроника ограничивает мощность до 100 кВт). Наше самое большое преимущество перед всеми другими ветряными турбинами - это широкий диапазон значений скорости ветра. Наша система вырабатывает ток при скорости ветра от 1,5 до 140 миль в час, являясь надёжным и устойчивым источником энергии (светло-серая линия показывает кривую мощности для конкурентов - традиционных ветряных турбин).

Традиционные системы ВИЭ производят большое количество энергии, но за счёт утилизации большого пространства. Это ограничение традиционных систем снижает их применимость. Сравните системы с одинаковой электрической мощностью. Видите огромную разницу в технологиях?

Ну что же, видим. Первый принцип термодинамики как бы намекает нам, что система не может выделить больше энергии, чем получила. Пусть масса воздуха движется со скоростью v=10 м/с. Плотность воздуха ρ=1.28 кг/м³ при температуре 20°Ц. Через каждый квадратный метр сечения турбины каждую секунду будет пролетать, натурально, 10 м³ или 12.8 кг воздуха, а энергия этого воздуха, по формуле для кинетической энергии, Е=Wt=mv²/2=12.8*10²/2=640 Дж. Раз мы рассматривали время в 1 секунду и площадь в 1 м², то предельная плотность мощности ветровой турбины при скорости ветра 10 м/с получается делением 640 Дж/ 1 сек / 1 м² = 640 Вт/м². Предполагается, что аэромеханический КПД турбины 100% и электрический КПД генератора – тоже 100%. Для любителей математики дадим полную формулу ветровой мощности:

Площадь одной Ветростены™ 96х120 дюймов, то есть 2.44х3.05 метра, 7.4 м². При скорости ветра 10 м/с и предельной эффективности, можно снять 7.4*0.64=4.7 киловатта, а вовсе не 100. Конечно, если ветер будет не 10, а 28 м/с, то при стопроцентном КПД можно получить заказанные 100 кВт. Правда, 33 м/с – это уже тропический ураган 1-й категории, такая свистопляска по определению бывает даже в ветреных местах не чаще нескольких часов за год.

Далее в дело вступает второй принцип термодинамики. Он как бы намекает нам, что КПД 100% быть не может. Для примера рассмотрим громадный ветряк Вестас-164. Диаметр трёхлопастной крыльчатки, ВНЕЗАПНО, 164 метра, а заметаемая ею площадь – πD²/4 = 3.14*164²/4 = 21'100 м². При скорости ветра 10 м/с, к ветряку подлетает мощность 21.1*0.64 = 13.5 MВт. Ветряк при этом отдаёт в сеть 6 МВт (электрических). Полный электромеханический КПД системы 6/13.5 = 44%, что для ветряка очень даже неплохо! (Для любящих точность заметим, что это не КИУМ. КИУМ считается от номинальной мощности установленного электрогенератора и есть усреднение за год.)

Ниже официальные параметры Вестаса-164.

Скорость ветра, при которой выработка энергии выходит на «полочку», выбрана инженерами Вестаса в 13 м/с. Это оттого, что ветры свыше 20 м/с в природе случаются очень нечасто, и ставить лишнее оборудование в расчёте на ураган – просто выбросить деньги. Буквально на ветер, да. Точка запуска у системы рассчитана при ветре 3 м/с. Предельная мощность на роторе тогда 13.5*0.3³=0.4 МВт, и этого едва хватает, чтобы провернуть вал генератора, а выработка – ноль, то есть электромеханический системы КПД=0. Впрочем, и при скорости ветра 5 м/с система работает абы как, выдавая в сеть всего лишь 0.6 МВт электрических при мощности генератора 9.5 МВт и мощности ветра на крыльчатке 13.5*0.5³=1.7 МВт. Общий электромеханический КПД системы менее 0.6/1.7=35%.

Для любителей физики, есть ещё такой вот закон Беца-Жуковского: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%91%D0%B5%D1%86%D0%B0 Он как бы намекает, что на ветряке нельзя получить, при прочих идеальных условиях, механический КПД свыше 59.3%. Повторим: при прочих идеальных условиях. Ну, добавьте трение лопастей о воздух, трение в подшипниках, КПД электрогенератора, и т. д. Вот и получится как у Вестаса. Там не дураки сидят.

Пусть глава компании Роберт Йост – инженерный гений и сумел добиться КПД=59% во всём диапазоне скоростей ветра. Тогда при скорости ветра 10 м/с Ветростена™ будет отдавать в сеть 7.4*0.64*0.59=2.8 кВт, для получения 100 кВт потребуется свежий бриз 33 м/с - как раз ураган первой категории, если что. При скорости ветра 5 м/с стенка выдаст 350 Вт. При минимальной заявленной скорости 0.67 м/с... 0.8 Вт. А этим можно засветить один хороший светодиод.

Но что-то не верится мне в инженерный гений. Товарстч всерьёз предлагает выдавать 18 киловольт при 6 амперах с установки, где линейные размеры около 3 метров. Ага.

Последний параграф добавлен по результатам обсуждения.

Зачем и кому нужна Ветростена™? Надо признать, что это сугубо мои предположения - как конкретно финансируется проект, мне, натурально, не сообщают. Итак, схема работы новшества. Предлоложим, что вы - частная и вполне традиционная генерирующая компания с набором ТЭС и АЭС. Правительство штата спустило вам план иметь, скажем, 500 МВт установленных мощностей ВИЭ к 2022 году. Выполните - будут налоговые льготы. Можно построить что-то вроде 50 ветряков Вестас-164, а к ним линии электропередач. Это дорого, население может быть против, лет через 25 установки придётся демонтировать, и прочий гемор. Вместо этого:

(1) Покупаем 5000 Ветростен™;

(2) Ставим на крышах существующих офисов, ТЭС и АЭС, энергию - сколько получится - пользуем на маловажные внутренние нужды (на освещение территории, к примеру);

(3) Отчитываемся, что установили 500 МВт с опережением срока;

(4) Хороший мальчик, держи конфетку налоговые льготы;

(5) PROFIT.

Других способов применения прорывного открытия я что-то не вижу.

Удачи.