Главная

Радиотехника

Ирик Имамутдинов

Ветровая энергетика в развитых странах развивается исключительно быстрыми темпами. В Европейской ветроэнергетической ассоциации утверждают, что при сохранении этой тенденции уже к 2010 году использование энергии ветра в мире увеличится в пять раз, а к 2020-му ветроэнергетические установки только в Европе обеспечат больше 10% энергобаланса. К этому времени во всем мире будет более 1000 ГВт установленных мощностей, что в пять раз превышает мощность всех на данный моментшних российских электростанций. Кстати, несмотря на то, что ветровая электроэнергетика в России пока не развита, интересные ноу-хау в этой области у нас есть.

Тысячелетний ветряк

Возраст традиционных лопастных ветряных мельниц, обнаруженных археологами на территории современного Ирана, составляет более тысячи лет. Но те ветряки, с помощью которых в самом конце XIX века в Дании получили электричество, технически мало отличались от своих персидских предшественников. При снижении скорости ветра такие установки просто не работают (те, кто ездит по Ленинградке, могли видеть установленные за Химками американские классические ветряные электрогенераторы: они либо неподвижны, либо работают вхолостую - наших ветров им недостаточно). Ветрогенераторы стараются располагать именно там, где дуют более или менее постоянные и сильные ветры - на морском побережье, равнинах и в горных ущельях. В Германии, например, прибрежные станции уже на данный момент дают около 4% потребляемого в стране электричества.

В прошлом столетии для достижения более стабильной работы генераторов ветер стали "загонять" в высокие трубы. За счет перепада давления восходящий поток воздуха в них значительно усиливается, а значит, увеличивается и снимаемая мощность для производства электроэнергии. Поток воздуха в вертикально стоящей трубе более стабилен, что облегчает эксплуатацию установки. В Испании в подобные трубы стали направлять горячий воздух, образующийся в теплицах. Но слабенькие экспериментальные испанские станции могли обеспечить лишь энергопотребление тех же теплиц. По испанскому примеру в австралийской пустыне спроектирована самая мощная электростанция в мире (200 МВт), работающая на восходящих потоках. Высота трубы этой станции, вырабатывающей электроэнергию за счет солнечного тепла, составит около километра. Австралийцев не смущает даже стоимость ввода мощностей, а она такова, что даже с учетом бесплатного источника энергии - теплого воздушного потока, нагреваемого солнцем, - станция окупится через несколько десятков лет.

В России на производство тепла и электричества ежегодно используется около 1 млрд тонн условного топлива. Специалисты Института электрификации сельского хозяйства - одного из профильных научных учреждений, наиболее серьезно занимающихся нетрадиционной энергетикой, - считают, что потенциал ветроэнергетики вдвое превышает на данный моментшние потребности страны в электроэнергии. Проблема заключается в том, что в равнинной России скорость этих самых ветров в среднем не превышает трех-четырех метров в секунду. А для эффективной работы даже самых совершенных лопастных ветряков, вырабатывающих электричество, необходима скорость ветра более восьми метров в секунду. Ведь принцип работы за тысячу лет не изменился: прямоточный или восходящий воздушный поток приводит в движение лопасти ветряка, с вала которого снимается полезная мощность (в нашем случае - для работы электрогенератора). Недавно нашим ученым удалось придумать, как заставить работать даже самый слабый ветерок, превращая его в вихрь.

История вихревой физики

Общеизвестны заслуги русских ученых, в первую очередь Николая Жуковского и Константина Циолковского, в области классической аэродинамики. К началу XIX века в России сложилась и самая мощная школа вихревой аэродинамики, хотя научные приоритеты в этой области принадлежат не нам. В 1845 году английский ученый Джордж Стокс разработал математическую теорию движения вязких жидкостей и газов (по так называемому уравнению Навье-Стокса метеорологи и сейчас рассчитывают движения гигантских воздушных вихрей - циклонов и антициклонов). Примерно тогда же немецкий физик и врач Герман Гельмгольц попытался сформулировать законы вихревых потоков, рассчитывая движение круговых потоков в идеальной жидкости.

Почти через девяносто лет после этого французскому инженеру-металлургу Жозефу Ранку пришло в голову исследовать свойства вихря, созданного искусственно. В 1931 году он запатентовал совсем простое внешне устройство под названием "вихревая трубка". Через спиралеобразную "улитку" в нее подавался сжатый воздух, который затем выводился через два отверстия. Закрученный в трубке маленький циклон имел настолько необычные физические характеристики, что несмотря на лабораторные подтверждения результатов исследований Ранка коллеги из Французского физического общества ему просто не поверили. Дело в том, что в вихревом потоке происходит мощный переток тепла от центра к периферии. Это значит, что в центре вихря образуется область низкого давления, а по его краям - высокого. Изобретатель смог разделить холодный и горячий потоки и вывести их через выводы трубки. Но объяснить, почему так происходит, он не смог.

Внешне простой вихревой эффект на самом деле обусловлен настолько сложными гидродинамическими циклами, происходящими в турбулентном потоке сжимаемого газа, что классической теории вихревых потоков не создано до сих пор.

После второй мировой войны опыты Ранка продолжил немецкий физик Роберт Хилш. Он значительно улучшил эффективность "трубки Ранка", увеличив разность температур на ее концах. К тому же он описал интересное явление, которое не заметил французский исследователь: образующийся вихрь за счет низкого давления в центре сам подсасывал внешний воздух, усиливая эффект вихреобразования. Но невозможность теоретического обоснования вихревых эффектов сыграла с открытиями Ранка-Хилша злую шутку и отложила их техническое применение на десятилетия.

Русский цикл

Первые попытки объяснения вихревых эффектов появились в трудах основоположника вихревой теории винта Николая Жуковского еще в начале XIX века. В СССР исследованиями вихревого эффекта занимались в основном прикладники. Профессор Одесского технологического института пищевого и холодильного оборудования Владимир Мартыновский рассчитал и запатентовал термодинамический цикл для воздушных вихревых холодильных машин, получивший в мире название "russian cycle". Но базовой вклад в развитие основ теории этих эффектов внес профессор Куйбышевского авиационного института (ныне Самарский государственный авиакосмический университет - СГАУ) Александр Меркулов. Созданная им в конце 50-х Отраслевая научно-исследовательская лаборатория N9 тепловых двигателей и холодильных машин (ОНИЛ-9 Министерства авиационной промышленности) провела огромный объем теоретических и экспериментальных исследований вихревого эффекта. При этом было разработано несколько видов машин. По воспоминаниям ученика Меркулова, профессора кафедры теплотехники и тепловых двигателей СГАУ Владимира Бирюка, именно в Куйбышевском авиационном институте были получены первые данные, касающиеся физической сути этого явления. Авторитет института в изучении вихревых потоков был настолько высок, что в начале 60-х американцы, интересовавшиеся природой разрушительных торнадо, попросили у него помощи в проектировании для Принстонского университета вихревой установки, работающей на эффекте Ранка-Хилша.

Меркулов добился увеличения эффекта охлаждения в вихревой трубке почти в два с половиной раза (сейчас разница между теплым и холодным потоками превышает 100 градусов). Подобные установки до сих пор работают в авиационных КБ и на заводах, используя воздух из обычных пневмосистем. Но власти обратили внимание на работы куйбышевской ОНИЛ-9 только после чернобыльской катастрофы. В меркуловской лаборатории использовали эффект вихревого всасывания, подмеченного Хилшем, для создания моющих машин большой мощности. В них всасываемая в вихрь грязь отбрасывалась во внешние слои искусственного циклона и собиралась затем в герметичную емкость. При дезактивации зараженной территории и оборудования было использовано более ста таких машин, отмывших сотни квадратных километров загрязненных поверхностей. Кстати, подобный эффект используется и в вихревых эжекторах-насадках на глушитель автомобиля. В периферийных горячих слоях вихревого потока лучше сжигаются вредные примеси, а за счет низкого давления в центре потока снижается противодавление выбросу из цилиндров, а значит, эффективнее сгорает топливо, в результате чего расход его уменьшается на 10-15%.

Дополнительное завихрение

Знакомство директора по науке компании "Нотека", научившейся делать бизнес на вихрях, Рудольфа Серебрякова с Александром Меркуловым произошло в 70-х годах. Тогда шли активные поиски технологий для замены спиртовых охладителей электронных и оптических систем самолета. Например, для охлаждения приборов МиГ-25 требовалось около 250 литров спирта и спиртовых смесей, и задачей конструкторов было облегчить новые поколения боевых самолетов на четверть тонны. Богатый опыт куйбышевцев помог быстро создать охладители, основанные на эффекте Ранка-Хилша, которые работали от набегавших на крыло самолета воздушных потоков и создавали в системе глубокий холод (до -70 градусов по Цельсию). Ученые группы Меркулова вместе со специалистами НПО "Молния" разрабатывали систему охлаждения для планера космического челнока "Бурана".

Именно тогда Рудольф Серебряков и загорелся идеей ветряка, эффективность работы которого усиливалась бы за счет дополнительного завихрения ламинарного потока воздуха. Идея была простая, ведь основная проблема обычных лопастных ветряков - либо слишком слабые, либо слишком сильные ветры. При небольших ветрах лопастные ветряки просто не работают, в случае же штормовых - их лучше не только останавливать, а класть вместе с мачтами на землю. Для серебряковского ветряка, как он сам его называет - "вихряка", не нужны ни сильный ветер, ни высокая мачта, ни система ориентации на ветер, а входящий поток контролируется простым регулировочным воздухозаборником. Причем их можно устанавливать модульно - друг на друга, повышая мощность до необходимой, независимо от силы ветра. Правда, без системы аккумуляции электроэнергии все равно не обойтись, так как по российским законам избыток мощности крайне не желательно "сливать" в существующие энергетические сети. Внешняя простота работы такой ветроэнергетической установки объясняется сложностью "улитки", в которой скорость входящего низкопотенциального потока усиливается в десять раз, что и показали последние опыты в аэродинамических трубах ЦАГИ в Жуковском. "Мне бы еще пару лет советской власти - и вихряк был бы готов к серийному выпуску уже в начале девяностых", - сокрушается Серебряков. Но работы над этой установкой возобновились только спустя десять лет.

Через теплогенератор к вихряку

Продвижение разработки вихревой ветроэнергетической установки стало возможным благодаря еще одному открытию Александра Меркулова. По словам Рудольфа Серебрякова, считающего Меркулова своим учителем, тому принадлежит еще один приоритет в открытии принципиально нового нагревательного прибора - теплогенератора, работающего на вихревом эффекте. До Меркулова никому в голову не приходило запустить в "трубку Ранка" жидкость, так как в отличие от газов она несжимаема, и эффектов разделения потоков на холодный и горячий никто не ожидал. В самом деле - разделения не произошло. но ученый получил ошеломивший его результат: пропущенная через "улитку" вода быстро нагревалась. Объяснить сверхэффективный - с кпд почти 100% - нагрев жидкости Меркулов не смог. По словам Серебрякова, речь скорее всего идет о микрокавитационных циклах, образующихся в вихревой жидкой среде, когда выброс энергии происходит за счет "схлопывания" образовавшихся в жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью, - кавитационных пузырьков, или каверн. но и это до конца не объясняет физику циклов, происходящих в вихревом нагревателе, поэтому в научном сообществе эффект вихревого теплогенератора официального признания так и не получил.

К концу 90-х годов интерес к вихревым теплогенераторам стали проявлять предприниматели. Одним из них был генеральный директор "Нотеки" Александр Калиниченко. На одной из инновационных выставок он познакомился с Серебряковым, которого коллеги из ЦАГИ отрекомендовали как одного из самых продвинутых профессионалов по вихревой аэродинамике. Завязалось сотрудничество, в результате которого "улитка" - завихритель для нагревателя была перерассчитана, и более эффективные теплогенераторы стали быстро находить потребителей.

Александр Калиниченко, когда-то работавший начальником отдела летных испытаний в авиационном ОКБ имени Микояна и Гуревича, мечтает "снять печать маргинальности с этих устройств". В настоящее время идут исследования этих нагревателей в Институте неорганической химии имени Бочвара, проводятся опыты и в лабораториях жуковского ЦАГИ, серьезно заинтересовались устройством специалисты Военного химического университета (бывшая Академия химзащиты). Сейчас производство таких нагревателей - базовой бизнес компании "Нотека", а заодно и важнейший источник ее собственных инвестиций в главный проект - вихревую ветроэнергетическую установку (ВВЭУ).

"Расчет на вихревые ветроустановки - наша бизнес-стратегия, - говорит Александр Калиниченко, - спрос на небольшие и недорогие автономные установки растет, а ВВЭУ будет работать даже в вентиляционных шахтах высоток, обеспечивая их копеечным светом, а сами ветрогенераторы можно делать в большом диапазоне мощностей в зависимости от геометрии 'улитки', завихряющей входящий поток".

Самые мощные ВВЭУ планируется устанавливать на геотермальных источниках. Проект мегаваттной электростанции сейчас прорабатывается с администрацией Краснодарского края. Предполагается горячую и химически агрессивную воду пропускать, а после загонять обратно в скважину через несложный теплообменник, нагретый же в нем воздух пропускать через трубу, установленную на склоне рядом. "Восходящий поток увеличит кпд такой станции еще процентов на пятнадцать, но пока получается дороговато, - признает Калиниченко, - более тысячи долларов за киловатт установленной мощности, но зато источник энергии бесплатный". Для окончания испытаний и подготовки мелкосерийного производства компании нужно всего около 5 млн рублей инвестиций.