Статья поступила в редакцию 14.04.14. Ред. per. № 1975 The article has entered in publishing office 14.04.14. Ed. reg. No. 1975
УДК 621.548
ВЫСОТНАЯ ВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ОРТОГОНАЛЬНЫМИ
АГРЕГАТАМИ
В.М. Лятхер
1,2
1000 Новая Энергетика 125363, Москва, ул. Штурвальная, д. 5, корп. 1, кв. 129 Тел/факс: 7(499)492-53-84 2New Energetics Inc 5225 Warrensville Center Road Кливленд, Огайо 44137 Тел.: 1(216)272-6765; e-mail: vlyatkher@sbcglobal.net
M,
гиЧ r S г
V
Заключение совета рецензентов 21.04.14 Заключение совета экспертов 28.04.14 Принято к публикации 05.05.14
Цель статьи - показать возможность и целесообразность использования энергии высотных струйных течений на ветровых электростанциях мощностью 50-100 МВт с ортогональными агрегатами, имеющих высокую экономическую эффективность при полной экологической безопасности. Предложение относится к ветроэнергетике, а именно к ветровым электростанциям, использующим энергию высотных струйных течений.
Ключевые слова: струйные течения, энергия ветра, электростанции, ортогональные турбины, экологическая безопасность.
HIGH JET POWER STATION WITH ORTHOGONAL POWER UNITS
V.M. Lyatkher
1,2
2 I
i f
'New Energetics 129, Shturvalnaya Str., 5, corp.l, Moscow, Russia, 123363 ph/fax 7(499)492-53-84 2New Energetics Inc. (Cleveland, OH, USA) 5225 Warrensville Center Road Cleveland, OH 44137 Phone: 1(216)272-67-65; e-mail: vlyatkher@sbcglobal.net
Referred 21.04.14 Expertise 28.04.14 Accepted 05.05.14
Article purpose is proposal to create operating demonstration wind power unit repeating basic elements future trial wind power plants with orthogonal turbines by the capacity 50-100 MW, having high economic efficiency at full ecological safety. Proposal refers to wind-power engineering, namely to wind power plants that use the energy of altitude jet streams.
Keywords: jet stream, wind power, power plants, orthogonal turbines, ecological safety.
Виктор Михайлович Лятхер
Сведения об авторе: д.т.н., профессор, генеральный директор компании New Energetic Ltd (Москва) и президент компании New Energetics Inc. (США).
Образование: Московский энергетический институт (МЭИ), мех.-мат. МГУ.
Область научных интересов: научные исследования и разработки в области гидравлического моделирования; гидравлики рек, озер и потоков океана; гидрологии, управления водными ресурсами, сейсмологии и сейсмостойкого строительства; гидроэнергетики, энергии приливов и отливов и строительства ветроэнергетического оборудования.
В последние годы ветроэнергетика является наиболее динамично развивающейся отраслью энергетики. Имеются обоснованные прогнозы, согласно которым к 2020 году 12% энергетических потребностей мира будут покрываться за счет энергии ветра с использованием тех конструктивных решений, которые уже нашли массовое применение в настоящее время. Плотность потока энергии ветра на технологически освоенных высотах приземного слоя, однако, остается сравнительно очень небольшой, достигающей экономически эффективных значений на небольших территориях, расположенных преимущественно в горных странах или в береговых зонах морей. Поэтому отмеченное бурное развитие ветроэнергетики в значительной мере связано с политической поддержкой и разнообразными льготами. Там, где ветроэнергетику перестают поддерживать или ещё не начинали это делать, она обычно оказывается экономически мало привлекательной.
Существенно иная ситуация может сложиться, если использовать энергию высотных струйных течений. Скорость ветра в струйных течениях обычно составляет от 30 до 70 м/сек, их толщина охватывает изобарические поверхности от 650 до 130 мбар (от 3.5 до 14 км), ширина течения может быть несколько сотен километров. Максимальные скорости в центре струи нередко превышают 100 м/сек. Так, над Ленкоранью 7 декабря 1959 г зафиксирована скорость ветра 136 м/сек, над Кызыл Ордой 31.07.61 - 190 м/с. Наличие устойчивых струйных течений на высотах 6-10 км отражено уже в расписании регулярных авиарейсов между Европой и Америкой. Рейсовая скорость современного самолета (Боинг 777) из США в Европу превышает 1000 км/час, а на пути из Европы в США не достигает 800 км/час. Таким образом, средний ветер на этих трассах направлен из Америки в Европу и имеет скорость около 100 км/час (28 м/с).
Различают 3 вида струйных течений: полярное, субтропическое и экваториальное (рис.1).
Рис. 1. Струйные течения в северном (слева) и южном полушариях Fig. 1. High altitude jet streams in North (left) and South (right) parts of atmosphere
Полярное и субтропическое течения охватывают всю землю, экваториальное - только юго-восточную Азию и Африку и активно лишь летом. Полярное и субтропическое течения сильнее зимой и слабее летом [1]. На высоте 6-8 км от поверхности Земли в струйных течениях, располагающихся над средними, наиболее населенными широтами северного полушария Земли (рис.2), плотность потока энергии ветра в 30-50 раз выше, чем в приземном слое [2, 3, 4,5].
Рис. 2. Струйное течение со скоростью ветра свыше 30 м/сек, шириной несколько сотен километров и толщиной несколько километров в Северном полушарии на средних широтах охватывает весь земной шар в направлении с Запада на Восток Fig. 2. Jet stream with wind speeds of more than 30 m/s width several hundred kilometers and a thickness of a few kilometers in the Northern hemisphere mid-latitudes of the entire globe in the direction from West to East
В России, Белоруссии, на Украине зонами интенсивных струйных течений являются столичные регионы (Московский, Минский, Киевский), отличающиеся высокой плотностью населения, большим числом энергоёмких промышленных предприятий, неуклонно возрастающим потреблением энергии, напряженной экологической обстановкой, ограничивающей рост мощности традиционных источников.
В США струйными течениями накрыта вся центральная часть. Над Северной Калифорнией плотность потока энергии в струйном течении на высоте 6 км составляет в среднем 7-10 кВт/м2, над Нью-Йорком - до 16 кВт/м2. Одним из наиболее благоприятных мест для реализации проектов по использованию струйных течений является почти всё восточное побережье - от Флориды до Новой Англии (рис. 3, 4).
Рис. 3. План струйного течения над США утром 22 декабря 2000 года на уровне 300 мбар (около 9 км над уровнем моря). Густота закраски характеризует скорость ветра в узлах (10 узлов = 5.15 м/сек) Fig. 3. The plan of the jet stream over the US in the morning of 22 December 2000 at the level of 300 mbar (about 9 km above
sea level). The density of shading characterizes the wind speed in knots (10 knots = 5.15 m/s)
Рис. 4. Поперечный разрез струйного течения между Lander, Wyoming (LND) и Burrwood, Louisiana (BRJ), США. Струйное течение охватывает закрашенную зону со скоростями от 30 до 70 м/сек Fig. 4. Cross section of a jet stream between the Lander, Wyoming (LND) and Burrwood, Louisiana (BRJ). Jet stream covers a shaded area with speeds from 30 to 70 m/sec
Большие зоны заняты струйными течениями над территорией бывшего СССР. В таблице представлены данные метеорологических служб, характери-
зующие среднемноголетние скорости ветра над Москвой зимой (январь), весной (апрель), летом (июль), осенью (октябрь) на высоте 6 и 8 км.
Таблица 1
Параметры ветра над Москвой в зоне высотных струйных течений
Table 1
Wind parameters over Moscow in the area of high-altitude jet streams
Высота над землей, км. 6 8
Средняя скорость ветра, м/сек зима 19.4 22.5
весна 17.9 21.4
лето 11.3 13.4
осень 20.3 24.6
Максимальный ветер (м/сек) с обеспеченностью, %
50 46
80 54
95 63
Повторяемость (%) скорости ветра, Превышающей 30 м/сек зима 16.1 25.1
весна 12.7 23.1
лето 1.3 2.0
осень 16.6 28.0
Приведенные данные показывают, что на этих высотах в осенне-зимний период средняя скорость ветра практически постоянна, достаточно высока, то есть, когда потребность в электроэнергии наибольшая, энергия ветропотока достигает максимального значения - 5 - 6 кВт/м2 (рис. 5).
5
* 15-\
«
о
s
ï л
H
I я £
f 1 7 Ю ' i
Месяцы года
Рис. 5. Изолинии потоков энергии ветра (кВт/м2) в струйном течении над Москвой Fig. 5. Isolines of mean streams of wind power (kW//m2) over Moscow
В летний период сильные ветра бывают заметно реже, что позволит проводить регламентное обслуживание ветроэлектростанций. Примерно такие же условия имеют место над Новосибирском, Красноярском, Иркутском и над соответствующими широтами в Европе. Плотность воздуха в слое с максимальным потоком энергии ветра составляет 0.57-0.61 кг/м3, что примерно в 2 раза ниже, чем у поверхности земли.
На примере метеорологических условий Московского региона было показано, что предлагаемый
проект использования энергии струйных течении с помощью "парящих" ВВЭУ, является вполне реальным способом экологически чистого производства электроэнергии для регионов, которые по данным приземных наблюдений являются безветренными и неперспективными для традиционной ветроэнергетики.
На первом этапе реализации проекта опытную высотную ветроустановку в районе Москвы целесообразно расположить на высоте 6 км от поверхности земли с тем, чтобы в последующем поднять её ещё на 2 км (до высоты 8 км). Средние потоки энергии ветра на этих высотах в Московском регионе показаны в таблице.
Таблица 2
Поток энергии ветра в струйном течении над Москвой (кВт/м2)
Table 2
Wind energy flow in jet over Moscow (kW/m2)
Сезон Зима Весна Лето Осень
Поток энергии на высоте 6 км Поток энергии на высоте 8 км 3.8 5.3 2.7 3.2 1.8 2.6 4.3 6.0
Подробные сведения о потоке энергии ветров на разных высотах, включая струйные течения, представлены на рис. 6, 7 для разных районов мира и в целом для атмосферы Земли [6].
Рис. 6. Плотность потока энергии ветра (kW/m2) с вероятностью превышения 5%, 32%, 50%, 68%, 95%
по данным измерений в период 1979-2006 на разной высоте от Земли для разных городов и в среднем по поверхности Земли [6]
Fig. 6. Wind power density (kW/m2) that was exceeded 5%, 32%, 50%, 68%, and 95% of the time during 1979-2006 as a function of altitude[6].The profiles at the five largest cities
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.