НГОИ Николаевское городское общество исследователей

Предлагаемая тепловетровая электростанция позволяет утилизировать низкопотенциальное тепло АЭС, а так же высокопотенциальное тепло газовых факелов на нефтедобывающих предприятиях, и получать электроэнергию с более высоким КПД, чем известные аналоги. Её отличительными признаками является экологическая чистота, исключается сброс нагретой воды в водохранилище, открытый контур АЭС заменяется на замкнутый. Технология очистки дымовых газов снижает выбросы в атмосферу на 80%, при утилизации тела от сжигания попутных нефтяных газов, с дальнейшим получением фуллеренов.

Есть идея построения станции, основанная на существующих прототипах солнечных ветроэлектростанций (СВЭС), которые сегодня работают в Испании и ведется разработка проекта в Австралии. На данном этапе произведены оценочные расчеты по энергоэффективности технологии и устройства.
На примере существующих СВЭС оценим повышение КПД преобразования кинетической энергии потока теплого воздуха при формировании вихря.

Определим КПД преобразования солнечной энергии в электрическую энергию в действующих СВЭС:

К1 = N1э / Nус· S · Ктп = 0,025,

где N1э - электрическая мощность СВЭС - 100 кВт;

Nус – средняя удельная мощность солнечных лучей – 0,5 кВт/м2;

S - площадь крыши СВЭС - 40000 м2;

Ктп – КПД крыши, как солнечного коллектора, равный 0,2.

Обозначим знаменатель уравнения (Nус · S · Ктп), как мощность используемого солнечного излучения – Nис, тогда электрическая мощность СВЭС после вихреобразования с учетом коэффициента преобразования энергии вихря в электрическую энергию -Квэ (по данным Резо равен 0,46) составит:

Nэ = Квэ· Nис = 0,46 · 4000 = 1840 кВт = 1,84 МВт

Благодаря вихреобразованию мощность СВЭС при тех же размерах возросла в 18,4 раза, соответственно КПД станции увеличился до 0,46. Такое же самое влияние вихреобразования имеет место и в ТВЭС.
Следующий этап - формирование технического задания и разработка технической модели.

Состояние вопроса.
Мы являемся свидетелями заката эпохи технологического романтизма с громоздкими символами в виде дымящих труб и огромных градирен при ТЭЦ и металлургических предприятиях. Кроме теплового загрязнения атмосферы в безветренных районах градирни и газовые факела становятся основной причиной загрязнения атмосферы и образования смога.
Постепенно человечество осознает, что наряду с акустическими, электромагнитными шумами и помехами, существует тепловой шум в виде избыточного низкопотенциального (низко температурного) тепла техногенного свойства – тепловыми отходами. Если бы мы посмотрели из космоса на нашу Землю, то увидели, что значительная часть её поверхности светится в инфракрасном диапазоне. И площадь светящейся поверхности постоянно разрастается.
Работа предприятий энергетики и реализация различных технологий на Земле сопровождается все возрастающим тепловым загрязнением окружающей среды. Эффективность использования топлива в современных теплоэлектростанциях составляет 40 %. То есть 60 % энергии выбрасывается в окружающую среду. У АЭС величина тепловых отходов и того больше - 70 %. Особенно чревато последствиями тепловое загрязнение воды при работе АЭС. Увеличение температуры воды приводит к вымиранию живых организмов в водоемах. Так при 31°С число видов становится в 2 раза меньше, чем при 26°С. Очевидно, что наибольшую опасность для окружающей среды представляют тепловые загрязнения воды в южных районах страны. Именно в таком районе расположена Южно-Украинская АЭС.

Утилизируют тепловые отходы практически только на ТЭЦ. Металлургические предприятия и ТЭС сопровождают громоздкие градирни, диаметры и высоты которых достигают 120 м. Сложность утилизации тепловых отходов заключается в том, что они представляют собой низкопотенциальное тепло с низкой плотностью мощности.

К рассеянным видам энергии также относится энергия ветра, который при скорости 10 м/с имеет такую же плотность мощности, что и солнечное излучение - примерно 1 кВт/м2.

Станция представляет собой круглую теплоизолированную крышу 1, плавно переходящую в трубу 6, которые опираются на перегородки-теплообменники 5, образующие (в плане) многозаходную спираль, выполняющую роль вихреобразователя. Кроме того, благодаря такому размещению перегородок 5 значительно увеличивается путь воздушных потоков под крышей 1. Перегородки 5 размещены на основании 2, которое может представлять собой ячеистый теплообменник. Полости перегородок-теплообменников 5 соединены с теплообменником 3 АЭС и насосом 4, образуя еще один замкнутый контур охлаждения. Таким образом, конструкция ТВЭС представляет собой «сухую градирню», отличающуюся от существующих аналогов отсутствием вентиляторов. В центре станции расположен электрогенератор 11, вал 10 которого проходит в обтекателе 9. Вал 10 на конце оснащен ветроколесом 7 с лопатками 8, имеющими возможность регулировки своего угла атаки. В конструкции предусматривается (на рисунке не показано) система «мокрого охлаждения», состоящая из форсунок, разбрызгивающих воду на поверхность перегородок 5, собирающих желобов, накопительной емкости и насоса подачи воды для повторного использования. Эту система включатся в летнее время года.

ТВЭС работает следующим образом. Тепловая энергия воды из второго контура АЭС передается с помощью теплообменника 3, жидкому теплоносителю - воде, циркулирующей через каналы в перегородках-теплообменниках 5, нагревая, таким образом, воздух под крышей 1. Перепад температур между центральной и периферийной частями воздушного пространства под крышей вызывает равномерно-ускоренное движение воздушного потока по спиральным каналам между перегородками 5. Далее, закрученный и нагретый поток воздуха попадает в пространство между обтекателем 9 и основанием трубы 6, где происходит окончательное формирование колоннообразного вертикального вихря типа торнадо. В летнее время включается система «мокрого охлаждения», при работе которой теплый воздух обдувает стекающие по перегородкам-теплообменникам 5 потоки воды, подаваемой из накопительной емкости. В результате испарения воды понижается её температура (как показали эксперименты) более, чем на 16°С и происходит отбор тепла от перегородок-теплообменников 5. Пополнение накопительной емкости осуществляется из любого источника воды.

Использование энергии с низкой плотностью мощности возможно лишь после её концентрации. Так энергию ветра "собирают" с площади ометаемой лопастями ветроустановки и передают на вал электрогенератора.

К сожалению, возобновляемые виды энергии обладают существенным недостатком - её количество зависит от состояния погоды, а также времени года и суток. Лишены этого недостатка тепловые отходы человеческой деятельности. Тем не менее, практическое применение нашел метод концентрации тепловой энергии воздуха, нагретого с помощью солнца. В Испании построено несколько солнечно-ветровых электростанций (СВЭС), выполненных в виде вертикальной трубы диаметром 10 м и высотой 200 м, переходящей на высоте 2 м от земли в плоскую крышу диаметром 250 м. Нагретый солнечными лучами под крышей воздух устремляется в трубу и вращает установленное в ней на вертикальной оси ветряное колесо связанное с электрогенератором. Средняя мощность таких станций составляет 100 кВт, а пиковая может превосходить среднюю в 3 раза. Очевидно, что эффективность использования солнечной энергии в СВЭС довольно низка, а работать они способны лишь в дневное время суток. В настоящее время в Австралии почти готов гигантский проект «Солнечная башня» на 200 МВт. Размеры башни (диаметр 130 м, высота 1 км, диаметр теплицы-основания 7 км) одновременно поражают и вызывают сомнения в целесообразности проекта такого масштаба. Подобное сооружение способно создать постоянно действующий смерч, который изменит климат Австралии, а огромный диаметр теплицы приведет к снижению КПД за счет высокого аэродинамического сопротивления.
По ориентировочным оценкам ТВЭС, обладающая основными размерами прототипа (диаметр крыши 250 м, высота трубы 200 м, диаметр трубы 10 м) и высотой крыши 3-4 м, способна обеспечить мощность теплосъема 4 МВт. Следует отметить, что благодаря вихреобразованию конструкция ТВЭС на 1 МВт будет гораздо меньших размеров, чем прототип – СВЭС на 100 кВт. Определение необходимой мощности будет произведено при разработке проекта.

Главным отличием предлагаемой ТВЭС является её экологическая чистота –исключается сброс нагретой воды в водохранилище, открытый контур АЭС заменяется на замкнутый. Кроме того, производится дополнительная электроэнергия. Получаемую при работе станции электроэнергию целесообразно расходовать на собственные нужды, например на питание компрессоров холодильных машин, дополнительно охлаждающих воду послеТВЭС, и водяных насосов последней..

В отличие от обычных ветроэнергетических установок, предлагаемая станция не создает помех телевизионному приему и не излучает вредного для человека инфразвука. Внутренняя теплоизоляция трубы одновременно является звукоизоляцией.

Следует отметить, что благодаря вихреобразованию конструкция ТВЭС на 1 МВт будет гораздо меньших размеров, чем прототип – СВЭС на 100 кВт. Определение необходимой мощности будет произведено при разработке проекта.

Так же ТВЭС может быть востребована для утилизации высокопотенциального тепла от газовых факелов в нефтедобывающей промышленности, где сжигается около 20 млрд. кубометров попутных нефтяных газов в год! Дополнительно увеличив теплообменник, добавив модулированный раcсекатель пламени и оснастив станцию уже имеющейся технологией очистки дымовых газов, с дальнейшим получением фуллеренов, станция может производить намного больше энергии и сокращать загрязнение атмосферы до 80%.

Разработка проекта.

Работа состоит из трех этапов – расчетно-методического, а также эскизного и рабочего проектирования.

В ходе выполнения работ предстоит разработать:

1. Методику оптимизационных расчетов вихреобразующих каналов (изменение сечения, длину, геометрию средней линии), благодаря которой будут получены исходные данные для конструирования башни с крышей.

2. . Методику расчета условий формирования устойчивого колоннообразного вихря при наличие нагрузки в виде ветроколеса с электрогенератором.

3. Конструкцию ветроколеса с регулируемыми углами атаки его лопаток.

4. Программу автоматического регулирования углов атаки лопаток в зависимости от параметров вихря и электрическую схему, реализующую эту программу.

5. Методику расчета теплопереноса через стенки перегородок-теплообменников при горизонтальном потоке воздуха в вихреобразующих каналах и вертикальном пленочном течении воды, а также без неё.

6. Выбор оптимальной конструкции перегородок-теплообменников.

7. Методику и программу сквозного аэротермодинамического расчета ТВЭС, позволяющих получить основные характеристики станции при различных значениях мощности теплосъема.

8. Программу численного моделирования энергопреобразующих процессов в ТВЭС.

9. Систему генерации и канализации электроэнергии, а также поддержания её качества.

10. Конструкторскую документацию на башню с крышей и опорами, теплообменные элементы и блок генератора.

11. Строительную документацию на башню с фундаментом и дополнительные строительные конструкции с привязкой в районе Южно-Украинской АЭС.

Инвестор получит готовый проект, через 12 месяцев с момента оплаты предпроектной работы.

Рисков в данном случае не предвидится, так как существующие аналоги уже работают и как указано выше не оптимизируются. В мире нет разработок, которые позволяют решить глобальную проблему утилизации тепла от сжигания попутных нефтяных газов, проблемы выбросов в атмосферу, компенсирующих штрафные санкции.