Вітрові вежі із синтетичним вихровим ефектом

Вітрові вежі з ефектом вихру: короткий зміст

від Ален Кусту »30.06.07, 11:16

АЕРОГЕНЕРАТОРНІ БАШТИ (АБО ВОРТЕКС-БАШНІ)

Вітрові вежі (або вихрові вежі) належать до сімейства сонячних веж, перший проект яких був розроблений сорок років тому французьким інженером Егардом Анрі Назаре, піонером у цій галузі. Порівняно з проектом у Назаре та з усіма його наступниками, вітрові енергетичні вежі, тим не менше, приносять значні нововведення як за кількістю використаних сил, так і за природними ефектами, в різноманітті джерел калорій, передбачених у багатьох деталях структури, характеристики периферійних теплиць та системи накопичення тепла і, нарешті, за потужністю, що значно перевершує те, що можна очікувати від конкуруючих проектів. Ці вежі запатентували приблизно у тридцяти країнах їх два дизайнери: університетський дослідник Ален Кусту (старший викладач Університету Бордо, спеціаліст з питань енергетики, клімату та сталого розвитку) та інформатик Пол Аларі (директор колекції в Інтернет-виданнях Eons).

За словами промоутерів, вітрові електростанції - це рішення майбутнього для масового виробництва чистої та недорогої енергії.
У країнах, обладнаних атомними електростанціями, вони спочатку могли б підвищити свою енергоефективність, значно збільшивши виробництво електроенергії на станції, не витрачаючи додатково ділиться матеріалу, одночасно зменшуючи її теплові розряди і роблячи таким чином більш прийнятним для населення станції - і повністю замінити теплову електростанції. Таким чином, найстаріші або найменш безпечні атомні електростанції можуть бути дуже швидко зупинені.
У всіх країнах башти вітрогенераторів також можуть працювати автономно, лише з відновлюваними джерелами енергії, або відновлювати скиди промислової охолоджувальної води, виробляючи велику кількість електроенергії, та зменшуючи їх тепловий вплив на навколишнє середовище.
По-друге, вони можуть нарешті забезпечити остаточне і плавне заміщення атомної енергетики та дозволити масове виробництво за низьких витрат абсолютно екологічно чистої електричної енергії без використання палива та без викидів парникових газів.

У Франції електростанції відіграють незначну роль у зменшенні парникового ефекту: у цій країні теплові електростанції виробляють ледь 5% електроенергії, що використовується переважно в години пікового споживання.
З іншого боку, це, на жаль, абсолютно не однаково на глобальному рівні. Потім більше двох третин електричної енергії виробляється на теплових електростанціях, що спалюють вугілля, нафту або газ. Таким чином, ця ситуація сприяє різкому посиленню парникового ефекту, наслідки якого загрожують вийти з-під контролю. Крім того, вартість виробництва теплової електроенергії має тенденцію до зростання із зростанням цін на нафту, на шкоду користувачам, незалежно від того, є вони компаніями чи приватними особами.

Тому розробка повністю екологічно чистих електростанцій, здатних подавати один кВт/год за низьких витрат, є основною проблемою. Це тим більше, що гідроелектростанція майже досягла своїх меж, що сонячна та вітряна енергія є надмірно дорогими та обмеженими в кращому випадку до третини доби, а біомаса не може забезпечити лише додаткову. Ядерна енергетика обговорюється через стурбованість, яку вона викликає, особливо стосовно переробки відходів та безпеки довготривалого зберігання.
На щастя, є рішення: те, яке ми пропонуємо з проектом башти вітрової турбіни, який був предметом французького патенту, виданого INPI (патент № 0408809). Після дуже сприятливого попереднього звіту, у січні 2007 року світовий патент був виданий приблизно для 30 країн. Тут ми представляємо загальні принципи, опис, роботу та низку різноманітних переваг.

I - Загальні принципи:

Використання порожнистої баштоподібної конструкції, розпаленої біля основи, оптимізованої для поєднання чотирьох або навіть п’яти природних сил та ефектів для масового та постійного виробництва електричної енергії за низькою вартістю, без забруднення, без обмеження споживання природних ресурсів та без штрафу нерегулярністю вітрового режиму, як у випадку з вітряними турбінами.
Використовувані природні сили та ефекти:
1- Ефект каміна
2- Парниковий ефект
3- "Сила" Коріоліса
4- Ефект Вентурі
5- Крім того, вітер, швидше за все, забезпечить резервну копію, навіть не потрібну для роботи вежі, і можна посилити ефективність та прибутковість установки, використовуючи низькотемпературні калорії з промисловості, атомної енергетики рослин, сміттєспалювальних заводів або геотермальної енергії, інакше переважно марно витрачається.

II - Опис структури та функцій різних її елементів:

З докладним описом, планами та текстом міжнародного патенту можна ознайомитись на сайті конструкторів башти вітрогенератора:
http://groups.msn.com/ToursAerogeneratrices2/
Використання пошукової системи Google (розширений пошук) також дозволяє знайти багато посилань на вежі вітрогенераторів (введіть повний вираз) або на оригінального конструктора (Ален Кусту).

A/Передбачені оптимальні розміри:
- Висота: 300 метрів
- Діаметр біля основи: 200 метрів
- Внутрішній діаметр у верхній частині: від 25 до 30 метрів
- Площа скління (парниковий ефект) навколо основи будівлі: від 3 до 5 км2 в автономному режимі, набагато менше, поєднуючи сили та природні ефекти з відновленням калорій промислового охолодження або з інших відновлюваних джерел (геотермальних).
Можливі менші розміри, залежно від доступних калорій та потреб, принцип діє ефективно на будь-якій висоті, щонайменше дорівнює сотні метрів.

2) Ця зона скління оточена системою затворів з електронним управлінням, щоб оптимізувати використання повітря, нагрітого при слабкому або середньому вітрі. Маневрування цими жалюзі запобігає будь-якому ризику, пов’язаному із надмірним надлишковим тиском, який може виникнути внаслідок сильного вітру. Це також додатково покращить ефективність вежі.

Але це ще не все.
У разі наявності достатнього потоку стоків при відносно високій температурі запотівання всієї води або її частини безпосередньо у повітря під основою вежі та/або над резервуарами для зберігання калорій, швидше за все, покращиться передача останнього у повітря, втягнуте вежею. Крім того, зарядка цього повітря вологістю збільшила б енергію штучного водоструму, що генерується у вежі генератора вітру, ціною, однак, ймовірного та нешкідливого явища конденсації над вежею.
Подібним чином можна використовувати термальний джерело, геотермальну енергію або калорії промислового походження (чавун та сталь, ливарні цеми, цементні заводи, спалювальні фабрики тощо), щоб забезпечити басейни майже однаковими перевагами з точки зору попереднього нагрівання води та цоколь вежі. Принцип роботи башти вітрогенератора є дійсним для розмірів від приблизно 100 метрів до 300 метрів або навіть більше, можна пристосувати вибір розмірів вежі до важливості відновлюваних калорій, не враховуючи ще раз сонячні калорії та їх зберігання в басейнах.

B/Поєднання ефекту димоходу, сили Коріоліса та ефекту Вентурі:

1) ефект димоходу
Гаряче повітря, затримане під скляною поверхнею і під розвальцьованою основою вежі, піднімається в порожнистій конструкції під дією димоходу.
Цього добре відомого явища само по собі було б недостатньо, щоб забезпечити достатню ефективність пристрою для вежі, висота якої обмежена 300 метрами. Якби ми обмежились лише ефектом димоходу, то нам потрібна була б вежа висотою 500-1000 метрів, як у будівництві сонячних веж в Іспанії та Австралії, що створює серйозні будівельні проблеми. І навіть ! Швидкість підйому стовпа повітря могла в кращому випадку сягати лише близько шістдесяти кілометрів на годину, а продуктивність всього була б дуже поганою ...
Тут виникає дуже особлива архітектура башти вітрогенератора, що призводить до максимізації виробленої енергії, дозволяючи скористатися двома взаємодоповнюючими природними силами.

2) Сила Коріоліса (або ефект)
Повітря, що надходить в основу вежі, направляється за допомогою криволінійних перегородок, які ініціюють її обертання. Ці перегородки, які беруть початок між кожною впускною отвіркою для повітря, також виконують функцію несучої конструкції. Центральне ядро вежі гарантує симетрію обертання висхідного повітря.
Таким чином започатковано явище водозливу, яке підтримується і посилюється ефектом Коріоліса, цією природною "силою", яка лежить у початку напрямку обертання циклонів та атмосферних водотоків. Таким чином ми отримуємо полонений та самоокупний торнадо. Гаряче повітря вже не просто піднімається, а пожвавлюється швидким обертальним рухом у тому ж напрямку, що і той, що передбачений для ступенів турбіни.
На додаток до несуттєвої додаткової кінетичної енергії, переданої таким чином останньому, таке обертання висхідного повітряного стовпа дозволяє збільшити кількість обертів турбін в хвилину без збільшення їх відносної швидкості щодо навколишнього середовища. Цей останній пункт являє собою важливу додаткову аеродинамічну перевагу для рішення вітрових башт.

- "Сила" Коріоліса є наслідком обертання землі. У північній півкулі вона має тенденцію відхиляти рухомі повітряні маси вправо і надавати їм обертальний рух. У природі це явище особливо відповідає за напрямок обертання циклонів і водоспадів. Оскільки цей напрямок обертання змінюється в південній півкулі, сила Коріоліса слабшає, наближаючись до екватора, де вона скасовується. З іншого боку, оскільки парниковий ефект є максимальним навколо вітрових енергетичних веж в міжтропічній зоні, існує компенсація за слабкість ефекту Коріоліса в цій частині земної кулі.

3) Ефект Вентурі
Особлива архітектура вежі, розкльошена біля основи і внутрішній діаметр якої звужується під час підйому повітря під дією димоходу, призводить до значного прискорення потоку повітря, що рухається вгору та обертається, за допомогою ефекту Вентурі (того самого ефекту, що і струм повільна річка прискорюється, коли її русло звужується). При внутрішньому діаметрі у верхній частині вежі, що дорівнює 1/7 діаметра основи, і різниці температур близько тридцяти градусів, швидкість повітряного стовпа становила б кілька сотень км/год. Потрібно буде лише запобігти цій швидкості значно перевищити 0,7 мах., оскільки, крім цього, ми дійшли б до трансзвукового домену, що створював проблеми контролю потоку та опору лопаток турбін діаметром 25 метрів.
Таким чином, енергія, що передається повітряним стовпом, значно посилюється порівняно з тим, що було б отримано простим ефектом димоходу в трубчастій структурі та постійним діаметром від основи до верху.

Розрахунок ефекту Вентурі надзвичайно простий: між підставою і верхом швидкість повітряного потоку множиться на коефіцієнт, рівний відношенню внутрішньої поверхні вежі біля її основи/внутрішньої поверхні у верхній частині. Для співвідношення діаметрів, рівного 7, коефіцієнт поверхні дорівнює 49. Вираховуючи площу, зайняту центральним сердечником, наполовину вигнутими перегородками основи та кріпленнями турбінного поїзда, воно дорівнює приблизно 50. Таким чином, швидкість вгору в основі лише 10 км/год призводить до потенційної швидкості 500 км/год на найвужчому рівні біля основи турбін. Звичайно, слід враховувати інші параметри: можливість отримання набагато більших швидкостей за рахунок збільшення різниці температур між основою і верхом, додаткової кінетичної енергії за рахунок обертання повітряного стовпа, наявності турбін, призначених для уловлювання кінетичної енергії, можливе використання компресорів і напірних клапанів тощо.

IV - Деякі бонуси:

Башти Аерогенератора за своєю висотою (близько 300 метрів для оптимального розміру) та своєю архітектурою (квазіциліндрична верхня частина, що перевищує розкльошену основу) є сприйнятливими до додаткових застосувань, приносячи додаткову корисність, яка не є незначною для подальшого збільшення їх прибутковість. Ось декілька:
Кругова платформа для технічного обслуговування біля вершини може бути використана як пожежний спостережний пост у лісовій місцевості.
Антени, передавачі та ретранслятори: радіо, телебачення, мобільна телефонія тощо. Передаючі антени використали б висоту будівлі, щоб мати збільшений радіус дії і не представляли б жодного ризику для населення.
У регіонах із регулярними вітрами кільцеві вітрові турбінні кільця, що оточують квазіциліндричну частину вежі (яка служила б їх вертикальною віссю), забезпечували б набагато економічніший енергетичний бонус, ніж той, що виробляється звичайною вітротурбіною: висота над рівнем моря. "вільний пілон", утворений вежею, гарантував би більшу стабільність потоку вітру, не порушуваний рельєфом землі.

На закінчення слід сказати, що вітрові електростанції є ідеальним рішенням з будь-якої точки зору. Вони не тільки дозволять масове виробництво електроенергії за особливо низькою вартістю, але й забезпечать стійкий розвиток, не використовуючи жодного викопного палива. Екологічна небезпека вітрових електростанцій дорівнює нулю. Полонений торнадо не може врятуватися, оскільки віддає більшу частину своєї енергії турбінам. Крім того, пристрій не виділяє газ, обмежуючи шкоду навколишньому середовищу до мінімуму.
Усі причини, які повинні призвести до швидкого рішення на користь розвитку вітрових енергетичних веж, спочатку шляхом побудови оціночної моделі, можливо, у формі спрощеної та відносно недорогої модульної конструкції, а потім на шляху до амбіційної програми будівництва в Франція та весь світ.

Ален Кусту - 13.06.2007

PS: Винахід є предметом міжнародного патенту, який захищає його у Франції та близько тридцяти країн Європи, Азії та Північної Америки.