ВEТРОГЕНЕРАТОРИ

ХИДРОЦEНТРАЛИ

БИОРЕАКТОРИ

ГОРИВОСПЕСТЯВАНЕ

     Природосъобразни технологии

[ Хидрокинетични елцентрали  Проф. д-р инж. Георги Тончев

[ Имплозивни турбинни технологии  Проф. д-р инж. Георги Тончев

[ Ветрослънчеви електроцентрали Проф. д-р инж. Георги Тончев

[ Ветровата енергетика става бизнес у нас  Проф. д-р инж. Георги Тончев

[ Проект за ветрова турбина за  българските условия  Инж. Рая Младенчева

[ Общинска екоенергетика  Инж. Людмила Иванова

[ Автогориво природен газ  Инж. Генчо Папазов

[ Интегрална многофункционална система за автомобили Галин Райчинов

[ Термопомпени инсталации  Инж. Людмила Иванова

[ Слънчевата енергия   Инж. Мария Георгиева

[ Хидрокинетични електроцентрали

Съгласно множество оценки (при наличния воден отток у нас и при редица компромиси с екологичните норми) възможните нови завирявания, водосборни и линейни съоръжения позволяват от нови  ВЕЦ, работещи на воден пад, да се произведат още около 500 GWh годишно. Потенциалът на слънчевата и вятърната енергия е не малък, но засега е икономически неефективно неговото широко използване. За минималното покритие на поетите от Р България международни ангажименти е необходимо да се произвежда след 2008 г. още 4100 GWh електроенергия от възобновяеми източници (ВЕИ), което едва ли ще бъде възможно, поради икономическата неефективност на несубсидираното ползване на конвенционалните ВЕИ. Поради факта, че водата е 800 пъти по-плътна от въздуха, то при еднакви други условия, кинетичната водна енергия произвежда 800 пъти повече полезна мощност от ветровата  енергия.

Хидрокинетичният ресурс на големи реки е почти целогодишно на разположение (например, за р. Дунав в българското течение е средно над 90% ефективната му годишна използваемост и се определя на около 10 милиарда kWh годишно). За сравнение ще посочим, че годишната използваемост на най-съвременните турбини, произвеждащи електроенергия от океански приливи и отливи е от 40 до 60% . Средното  натоварване на ВЕЦ-овете у нас  е едва 20% от номиналния им капацитет. Те се ползват по-малко от евентуални бъдещи централи, експлоатиращи ветрови и слънчеви ресурси, като същевременно са по-капиталоемки от ефективни хидрокинетични съоръжения. Конвенционалните ВЕЦ имат редица недостатъци от гледна точка на опазване на природната среда при изграждането, завиряването и експлоатацията на водосборните и линейните съоръжения; съпътствано с осушаване на земеделски площи по следязовирното течение на реките; с дълготрайно ангажиране на земи; с прокарване на временни и постоянни пътища; изсичане на гори; извършват се и редица други дейности, които трайно (често и необратимо) нарушават екологичното равновесие.

Енергийната реализация на водната кинетична енергия не изисква никакви завирявания и водосборни съоръжения. С това се избягват всички екологични проблеми, свързани с тяхното строителство и експлоатация.  Хидрокинетичните енергийни инсталации и централи се монтират непосредствено в реки и канали, включително и на закотвени в тях понтони. Те не променят речните русла и не понижават водните нива. Затова не осушават земеделските земи, не повлияват естествения воден отток и не вредят на речните и крайречните екосистеми. Такива съоръжения се монтират бързо, а управлението и диспечеризацията им може да става автоматично и/или дистанционно. Използването на хидрокинетичния ресурс за преобразуването му в полезна енергия (например: за производство на електроенергия, за пряко изпомпване на вода за напояване, за пиене, за възстановяване на влажни зони край р. Дунав и др.) има редица положителни ефекти:

Главният технически проблем за широкото използване на хидрокинетичния ресурс у нас е липсата на технически опит при изграждането на хидрокинетични централи в глобален мащаб. Поради това внедряването на такива е невъзможно, защото не се предлагат подходящи съоръжения, като турбини, генератори със съответните трансмиссии и т.н. По нашите авторски разработки предвиждаме необходимото оборудване за такива електроцентрали и помпени станции да се произвежда изцяло в България, с което можем да имаме водеща позиция най-малко сред крайдунавските държави. Като втори проблем е отсъствието на проучвания на водните басейни,  подходящите за ефективни хидрокинетични централи. Всички хидрокинетични разработки съдържат иновативни технически, технологични и методологически решения, регистрирани в Патентното ведомство на Р България (# 106 981, # 107 453 и  # 107 458). повече за хидрокинетичните електроцентрали може да прочетете тук, а по-долу е подробно обяснено как се постига висока ефективност на хидрокинетичните турбини, работещи при нулев воден пад.

[ Имплозивните технологии при хидрокинетичните турбини (ХКТ)

При водонапорните централи се използва кинетичната енергия на водата, за сметка на изкуствено създадения воден пад. Това е една високо екстензивна хидротехнология, която не включва пълноценно ползването на всички природни свойства на водата. При съвременните имплозивни технологии ефективността на хидрокинетичните електроцентрали (ХКЦ) може да стане по-висока от тази на ВЕЦ. Ползването на водната енергия е познато от древността. Например, чрез частично потопени водни колела на повърхостта на водно течение, било речно, било на приливите и отливите или друго. Тези, и подобни на тях, технологии са изоставени, защото не са ефективни. При водните колела само част (потопената) от ротора върши полезна работа, макар и съпроводена с немалки загуби от съпротивление.

Хидроенергийният потенциал на едно речно течение не зависи от броя и завиряването на язовирите по него, а от дебита и денивелацията на реката. Само движеща се вода може да върти турбините във ВЕЦ. Заприщването и спирането на водата и последващото й пускане към турбините по изкуствени деривации, тръби и други съоръжения може да се избегне. Това става чрез преобразователи на кинетичната енергия на свободното водно течение (например напълно потопени турбини), които се монтират направо в реките. А това има поне два положителни ефекти: първо е значително по-евтино и второ - напълно природосъобразно.

Съществена принципна разлика между конвенционалните ВЕЦ и хидрокинетичните е, че турбините във ВЕЦ използват ЕДНОКРАТНО постъпващата вода с висока енергийна плътност, в резултат на изкуствено създадения воден напор, а предлаганите технологии  за ХКЦ използват МНОГОКРАТНО безнапорно течащата вода с естествено ниска енергийна плътност.

Имплозивните технологии дават възможност да се постигне висока плътност на каскадно монтираните ротори по дължината на течението. Така се компенсира ниската енергийна плътност на свободното водно течение и то без да се нарушават речните е крайречните екосистеми. Естествената схема на хидрокинетичните електроцентарали (ХКЦ) е да следва главната дименсия на реката. (Реките са хиляди пъти по-дълги отколкото широки). По аналогия с напорните водни турбини, едно конвенционално разсъждение може да стигне до заключение, че веднъж минала през ХКТ, водата губи голяма част от енергията, която носи. А нова възможност да се използва кинетичната й енергия може да има на известно разстояние след лопатките – примерно 2-3 роторни диаметъра.

В това заключение има известна логика от следната гледна точка: Част от постъпващата кинетичена енергия на водата в ХКТ се преобразува в полезна мощност и на изхода на турбината кинетичната енергия е по-малка, отколкото на входа. Това би могло да бъде вярно само при едновременното изпълнение на поне две предварителни уговорки. Първата е, че водата пред и зад турбината не взаимодейства с околното водно течение, т.е. системата е напълно изолирана от външни въздействия (например - затворена в тръба система, каквато тя изобщо не е). И съгласно втората уговорка - преобразуваната енергия да е изцяло за сметка на разликата в кинетичните енергии пред и зад ХКТ, дължащи се само на разликата в аксиалните скорости на водния поток пред и зад турбината. Измерванията, обаче показват, че няма съществена разлика в тези скорости, а водният поток след турбината неизбежно придобива една нова - тангенциална скоростна компонента. Тя е следствие на инерцията на водата, витлообразно завъртяна от лопатките.

Линейното постъпателно водно течение, успоредно на надлъжната ос на ротора, не е най-изгодно за преобразуването му във въртящ момент на турбината, което в крайна сметка е и тяхната основна функция. Най-популярните теоретични модели на ветрови и хидрокинетични турбини определят най-високия К.П.Д. на роторите при напречното им разположение във флуидния поток. Съгласно модела на Бетц токовите линии на потока имат обща ос на коаксиална симетрия и тя съвпада с оста на ротора, а равнината на въртене на лопатките (ротора) сключва прав ъгъл с надлъжната ос на турбината, която е паралелна на вектора на скоростта на флуида. При този идеализиран случай теоретичният максимум на механичния К.П.Д. на турбината се получава 59.3%., при условие че скоростта на флуида след ротора е една трета от тази на входящия флуид. Други автори използват различен подход от този на Бетц. Съгласно модела на А. Горлов, оптималният ъгъл на потока към равнината на ротора не е прав, а е 49 ⁰, при което се получава максимален К.П.Д. на турбината, когато “пропускливостта” на роторната равнина е 60%. Но и двата модела не отчитат в достатъчна степен факта на неизбежното завъртане на флуида след преминаването му през роторната равнина, т.е. винтовидното му движение след лопатките. Те изобщо не разглеждат тангенциалната компонента на скоростта. А нашите експерименти показаха, че винтовидното движение има известно влияние дори и на потока преди ротора. Степента на това влияние зависи от плътността, вискозитета, свиваемостта, скоростта и други параметри на флуида, както и от ъгловата скорост, стъпката на лопатките, усукването им, дисковото съотношение и други характеристики на турбината.

Първият приложен ефект на имплозивната технология е възможността да се конструират роторни каскади с намалено аксиално растояние между тях. Така увеличаването на плътността на роторите на ХКТ е не само възможно, но е много по-хидродинамично ефективно, в сравнение с правотоково работещи последователни ротори. Първият ротор завърта водата, преминаваща след него и тя попада под оптимален ъгъл към въртящите се обратна посока лопатки на втория ротор. По този начин, не външно действие (например гравитацията), а част от кинетичната енергия на аксиалното движение на водата завърта първия ротор, който от своя страна придава въртеливото витлообразно движение на водата между двата ротора. Така постъпващата енергия, в резултат на аксиалното движение на потока, извършва две полезни дейности. Едната е самото въртене на първия ротор, а втората функция на същия ротор е в качеството му на въртящ се насочващ апарат, който оптимално да направлява водата към втория близко разположен ротор. Може би е противно на конвенционалната логика, но два близки паралелни ротори (двуроторна каскада), работещи в противоток, са определено по-ефективни от правотоково въртящи се ротори, при същите условия. Така се получава и по-висок К.П.Д. на каскадата, основаващ се на първия имплозивен ефект. И това е многократно практически доказано при самолетни и хеликоптерни ротори и при някои видове водни турбини, работещи на нисък и/или нулев воден пад. А знаем, че почти всички типове водонапорни турбини имат имат направляващи апарати, в повечето случаи стационарни, които изпълняват само втората функция на първия ротор в каскадата.

Колкото по-бързо се въртят лопатките от воден поток, перпендикулярен на роторната равнина, толкова векторът на тяхната относителна скорост (спрямо обтичащата ги вода) пресича хордата на дадено напречно сечение на лопатките под все по-малък ъгъл на атака. С увеличение на роторната периферна скорост този ъгъл достига нулеви и отрицателени стойности и респективно въртящите сили падат до минимум, за сметка на увеличените аксиални сили, които не вършат полезна работа, а само увеличават натоварванията върху каскадната кострукция. Подобен ефект има не само увеличаването на оборотите, но и увеличаването на растоянието на съответното напречно сечение на лопатката до центъра на въртене-оста на турбината. Затова, при постоянни обороти, роторите с големи диаметри често са неприемливи технически решения за повишаване мощността на турбините, защото пада К.П.Д.. Роторните лопатки (импелери) не могат да имат такива геометрични форми, размери, ъгли и радиално усукване, за да се избегне генерално този проблем, дори и да са с регулируема стъпка на лопатките.

Вторият имплозивен ефект решава този проблем аналогично на отдавна влязло в практиката решение от аеродинамиката (при свиваеми флуиди).  Двуроторните коаксиални каскадни пропелери на самолетите и хеликоптерите се състоят от два близко разположени паралелни ротори, които се въртят в противоположни посоки (в противоток).Те не си пречат, а си помагат за увеличение на тягата. Вторият ефект от приложението на  имплозивната технология при несвиваеми флуиди (като водата) позволява без външни сили, само чрез промяна (посредством първия ротор) на постъпателното движение на водата във витлообразно постъпателно да се постигат значително по-високи обороти. Те са в резултат на оптималното векторно разположение на резултантната скорост (която обтича лопатката), като векторна сума от съставляващите я скорости на витлообразното водно течение и периферната на лопатките. Така се максимизират получените въртящи сили и минимизират невъртящите. Крайният резултат е по-висока полезна мощност на втория ротор и на каскадата като цяло. При това част от енергията, изразходвана за принудително завъртане на водата,  пряко се оползотворява благодарение въртеливото движение на същия ротор.

Тук следва да отбележим едно съществено природно свойство на водата. Тя има естествена склонност лесно да образува водовъртежи, което можем да забележим при изтичане на насъбралата се вода в кухненска мивка. Разбира се въртенето се провокира от външна сила - гравитацията, която за Северното полукълбо винаги предизвиква въртене по часовниковата стрелка и обратно - за Южното полукълбо. При каскадата външната сила не е гравитацията. Силата на инерцията на витлообразно движещта се вода и нейната практическа несвиваемост са две напълно достатъчни причини, поради които потокът преодолява късото разстояние до втория ротор без винтообразното му въртене да спре. А чрез промяна на аксиалното растояние между роторите може да се поддържа максимален общ К.П.Д. и на двата ротора в каскадата, при различни обороти и аксиални водни скорости. Техническото изпълнение на аксиалното преместване на единия спрямо другия ротор става чрез сравнително просто конструктивно решение.

Механичната мощност на всеки ротор се изчислява по следната формула:

Мощност = оборотите Х въртящ момент

Както видяхме по-горе, оборотите на противотоково въртящ се ротор могат да се увеличат значително, без да се стига до нежеланото минимизиране на въртящите сили. А те са пропорцианални на квадрата на скоростта на водата, обтичаща импелерите, съгласно известната формула на Кута – Жуковски, което означава по-висока мощнаст, получавана за сметка на високи турбинни обороти. Забележете - по-високата скорост на обтичане зависи не само от скоростта на течението, а и от оборотите, постигнати от конструкцията на импелерите и каскадата като цяло. 

В резултат на втория ефект, автоматично се стига до едно важно конструктивно предимство на бързо въртящите се лопатки. Те якостно се оразмеряват за по-малки огъващи моменти при една и съща мощност и други механични параметри, в сравнение със същите лопатки, но при по-ниски обороти. При постоянна мощност ниските обороти се компенсират от по-висок въртящ момент (виж формулата по-горе), което е конструктивно неизгодно. А бързо въртящите се лопатки ще бъдат направени значително по-леки, по-дълготрайни и по-технологични в производството и от неметални (често и значително по-евтини) материали. Периферните скорости на роторите са невисоки, дори и при по-високи обороти. Затова центробежните сили не са големи и не изискват оразмеряване на лопатките за висока якост.

Други полезни за ХКТ природни енергийни свойства на водата са нейните практическа несвиваемост и непрекъснатостта на водния поток. Водата се свива само под въздействието на голямото налягане от 1 100 Мегапаскала. На практика това налягане не може да бъде надминато и водата се смята за несвиваема. Противодействащото на това голямо налягане  се нареча молекулно налягане на водата.

Посочените свойства, са присъщи на водата и се дължат на големите междумолекулни сили в нея, които малко се използват в конвенционалните ВЕЦ. При тях ускоряване на водния поток се постига чрез по-голям воден пад, т.е. по чисто екстензивен път (който понякога се нарича експлозивен, в противовес на имплозивния). Именно междумолекулните водни сили (и съответната вътрешна енергия) дават възможност на речния поток бързо да самовъзстанови енергийните си качества, без водата да се свива при преминаването си през рторите, дифузорите, концентраторите и другите турбинни елементи и аранжименти. Линейната (аксиална) постъпателна скорост на водното течение малко се променя след преминаване през лопатките, но то добива и тангенциалната скорост. Именно тангенциалната компонента предизвиква въртенето, а силата на инерцията на въртенето от своя страна провокира желано преразпределение на вътрешната водна енергия. Принципно - преразпределението е в полза на кинетичната енергия, за сметка на намалената вътрешна водна енергия, без да се променя плътността на водата. На пръв поглед имплозивната хидротехнология е в противоречие със закона за запазване на енергията. Но той е в сила за затворени системи, а в разглеждания случай такава няма, тъй като става въпрос за отворена система под значителното външно въздействие на околотурбинното водно течение и с едновременното действие на вътрешната водна енергия. Да не забравяме, че минаващата през роторите вода е много  по-малко по количество от общия околен воден поток. В този смисъл, може да кажем, че кинетичните турбини, макар и пряко да се въртят от преминаващата през тях вода, то непряко околното течение “помага” за повишаване мощността на последователно разполжени ротори по течението.

С оглед на казаното, ще отбележим, че популярната за ВЕЦ формула М*g*h = 0.5*M*V²  е напълно в сила, но за едно определено количество вода, при което енергията на водния стълб се превръща в кинетична. Това уравнение изразява един аспект на закона за запазване и преобразуване на макроенергията в дадена затворена система, при която имаме постъпателно преместване на определена маса M от изходна височина h с нулева начална скорост, която се увеличава докато достигне на входа на турбината при скорост V.  Тук използвам (макар и непрецизно) термина макроенергия, за да подчертая, че това същото уравнение е в сила и за твърди тела - например пясък или тухла. При водата, освен ползването на макроенергията, имаме преобразуване и на микроенергия - именно тази вътрешната (в резултат на междумолекулните сили) на водата. И все пак да не забравяме, че 0.5*M*V² не е универсална формула. Когато става въпрос за високи скорости C и/или малки маси m, то тази формула е 200 % грешна (спрямо една не по-малко популярна  m*C²).

Не бива да остава впечатление, че имплозивните технологии черпят някакви неясни сили и енергии. По-скоро може да се мисли, че те по-ефективно и по-пълно използват енергията от отворената система и микроенергията на минаващата през роторите вода, поотделно, и в тяхното синергично взаимодействие. Но такова взаимодействие, максимизиращо полезната мощност, е постижимо само при оптимално конструктивно решение, което е строго специфично съответните хидроусловия. В известен смисъл може да се каже, че благодарение на винтовидното завъртане съпротивлението при движението на водата може да спадне в концентратори, дифузори и други подобни аранжименти, което повишава преобразуваната полезна енергия от турбините. Всички знаем, че именно винтовките (известните стрелкови оръжия с винтообразни вътрешни канали) са по-далекобойни, в сравнение с гладкоцевни оръжия при еднакви енергийни, балистични и всички останали параметри (на цевитe, мунициите и т.н.).

Третият имплозивен ефект е пряк резултат от добре познатото ускоряване на водното течение, преминаващо през тясната част на тръба на Вентури. То също се дължи на закона за непрекъснатостта на течението. Според него скоростта в малкия диаметър е равна на скоростта на влизащата вода в големия диаметър (входящ), умножена по отношението на площта на сечението на големия към сечението на малкия диаметър.

За пример – при съотношение на площите 3 към 1, скоростта в малкия диаметър ще е 3 пъти по-голяма. А мощността на водния поток е пропорционална на третата степен на скороста и първата степен от площта на сечението. При това, в крайна сметка се получава, че мощността на потока в малкия диаметър, изчислена чрез кинетичната енергия на аксиалното му движение, е 9 пъти по-голяма. Тук става въпрос за 900 % теоретичен ръст (което не е предел) на входящата водна мощност, който въпреки хидравличните и други загуби, дава възможност ХКТ, с подходящи водни концентратори и дифузори, да работят с високи коефициенти на полезно действие. Съгласно принципа на Бернули, който изразява закона за запазване на енергията в тръбата на Вентури (като затворена система), увеличението на аксиалната кинетична енергия в малкото сечение е съпроводено със спадане на молекулното налягане на водата, при нулева разлика във височина (h=0). Това е един неекстензивен (имплозивен) начин за аксиално ускорение на водното течение. Този начин за водно ускорение е многократно по-евтин и природосъобразен, отколокото да се строят баражи, язовири и всякакви други заприщвания и съответните напорни системи. ХКТ се въртят от потока – увеличента аксиална кинетична енергия при практически постоянна плътност на водата. А едновременно спадналата вътрешна енергия на водата (молекулното налягане) изобщо не намалява въртящите сили, защото те са пропорционални на плътността и на квадрата на скорстта на обтичащата лопатките вода, както казахме по-горе.

Четвъртият имплозивен ефект е свързан с комбинирани начини за придаването на въртеливо витлообразно движение на водата. То се постига чрез различни синергични комбинации. В разгледаните по-горе примери, то става от първия ротор, ползван и като въртящ се направляващ апарат. Но може да става и на принципа на куршума във винтовката. Винтообразни канали (изпъкналости) в концентраторите и/или дифузурите завъртат водния поток преди всеки ротор. Всички, така да ги наречем, завъртащи водата ефекти, могат да действат поотделно и/или синхронно, в съответствие с конкрентна каскадна схема.

Като пети ефект, ще отбележа факта, че при въртеливото движение на водата, се наблюдава подобен на Вентури ефект, независимо дали това става във, винтово нарязана или не, тръба на Вентури, дюза на Лавал или при извънтръбно течение. При витлообразно постъпателно движение на водния поток, той има естествено свойство да намалява сечението си и съответно да си увеличава кинетичана енергия, за сметка на потенциалната молекулна енергия. Всички знаем, че всеки въдовъртеж има смукателен ефект(както и при въздушния вихър на торнадото). Смукателният ефект се дължи точно на пониженото налягане (намаляването на вътрешната потенциална енергия в мястото на въртеливото движение). При това е установено експериментално и леко спадане на температурата на водата, което означава, че и част от охлаждането се преобразува в кинетична енергия. Не е логично, но е известно, че водата има най-голяма плътност не в точката си на замръзване (0 ^o Целзий), а при положителна температура от 4 ^o . Повече за имплозивните технологии може да видите тук.

По-високите обороти на турбината, при съблюдаването на подкавитационно обтичане на лопатките, не зависят само от постъпателната и въртеливата компоненти на скоростта на водата. Те зависят от стъпката на роторите, която се определя от ъглите и усукването на лопатките по радиуса им. В оптималните проекти тези ъгли са изчислени така, че при сравнително ниски скорости на течението и двата ротора в каскадата да работят с оптимални обороти. Тази оптимизация се основава на факта, че скоростта на обтичането е векторен сбор от скоростта на водата (въртяща се или не) и скоростта на ротора, която пряко зависи от оборотите му. С други думи, възможно е и при ниска скорост на потока да се постигнат сравнително високи обороти на турбината.

Разгледаните пет ефекта заедно с избрани оптимални съотношения обороти / въртящ момент, обороти / скорост на течението и други технически и технологични оптимизации и иновации са техническата основа на реализираните конструкции на каскадни турбини. Благодарение на тях, те са напълно природосъобразни, енергийно ефективни, компактни и сравнително евтини, което гарантира конкурентна цена на произвежданата електроенергия и бързото възвръщане на инвестициите.

[   Ветрослънчеви електроцентрали

Проф. д-р инж. Георги Тончев

Описаните хибридни централи се основават главно на технологиите, съгласно описание # 106949, регистрирано през 2002 год в Патентно ведомство на Р България. На основание на лабораторни тестове и математическа оптимизация на електроенергийните, аеродинамичните и механичните характеристики на технологиите са намерени най-подходящите за българските климатични условия варианти за внедряване на хибридните електроцентрали. С използването на разработените технологии са направени действащи лабораторни прототипи на различни инсталации за производство на електроенергия и е доказана практически най-високата ефективностт на ноу-хауто на варианта, който е описан в горецитирания документ.

Типичната ветро-слънчева инсталация се състои от трилопатъчна ветротурубина с плосък хоризонтален ветроускорител, върху който е монтиран преобразувател на светлинната енергия в електрическа. Същата технология се ползва и при хоризонтална хеликална турбина с два ускорителя. Инсталации с вертикално разположение на генераторите по стълбове и връзката с електрическите мрежи с подземен кабел ангажират много малък терен и не пречат на ползването на земята за други (например земеделски) нужди.

От теорията е известно, че КПД на една енергопреобразуваща ветрова инсталация е максимален при точно определено съотношение на скоростите (V1/V2) на входящия и изходящия потоци. Това съотношение е 3:1 за вeтрови преобразувател с хоризонтална ос на ротора и КПД не зависи от скоростта на вятъра V. Също е известно, че отдаваната мощност от един такъв преобразувател зависи от третата степен на скоростта V1.

Технологията, посредством регулиращите елементи/ускорители, поддържа винаги оптимален режим на инсталацията, както по отношение на КПД, така и по отношение на мощността, което позволява ветровата й мощност да бъде около два пъти по-висока, отколкото при известните ветрови инсталации, при еднакви други климатични условия. При 30% ускорение на вятъра пред турбината мощността й се увеличава над 2 пъти. Повече за ветроускорителите може да прочетете тук.

Конвенционалните ветрови електроцентрали произвеждат сравнително скъпа електроенергия. Цената на kWh варира от 4 до 8 щатски цента. Като долната граница на цената е за ветровити райони, а горната е за такива, каквито има у нас. При ползването на разработените технологии само за ветрови инсталации, цената на един kWh спада до 2.5-5 цента, в зависимост от ветровите условия.

Себестойността на 1 kWh електроенергия произведен от въглища у нас е над 2 цента. При тези данни не се взема под внимание факта, че разходите за неутрализиране на замърсяването от изгарянето на въглища за производството на 1 kWh електричество е между 3 и 6 цента, в зависимост от вида на въглищата. Дори и при изгарянето на екологично най-чистото гориво–природния газ, разходът за неутрализация на вредните емисиите, отделяни при производството на 1 kWh е 0.5-2 цента.

Практическа приложимост на технологиите и ноу-хау то

Те могат да се ползват, както във ветрови, така и в хибридни инсталации, без да са необходими никакви промени в серийно произвежданите ветрови (флуидни) турбини и слънчевите преобразователи на енергия. Например, ако един серийно произведен ветрогенератор, следва да захранва консуматори при достигане на определена скорост на вятъра и минимални обороти и защитно да се изключи при много силен вятър, след монтиране на предлаганите регулатори, той ще може да се включва пълноценно при по-ниска скорост на вятъра и да се изключва при по-висока скорост и ще отдава и по-голяма мощност при всички работни скорости.

Нощем, при липса на слънчево греене, регулаторите (комбинирани със слънчеви преобразуватели) работят в оптимален режим с оглед само на само ветровите генератори. Денем системата може да бъде програмирана, например за най-висока полезност на произвежданата енергия, както и автоматично да поддържа максималната възможна мощност на инсталацията. За иновациите при фотоволтаичните елементи може да прочетете тук.

Перспектива за описаното ноу-хау

В перспектива дефицитните енергогорива ще поскъпват, паралелно с темповете на тяхното изчерпване. А ползването на неизчерпаемите и екологично чисти енергийни източници, като слънцето и вятъра, ще става икономически все по-конкурентно. Затова перспективната приложимост на разработените инженерни технологии много бързо ще нараства.

Известните вятърни, слънчеви и хибридни електроцентрали нямат чисто икономически предимства, в сравнение с тези, работещи на конвенционални горива. Но заради екологичните им преимущества, тяхното използване и експлоатация се субсидира в индустриално развитите държави..

В сравнение с всички известни досега технологии за ветрови, слънчеви и хибридни инсталации, техническите предимства на представените инженерни технологии дават безспорни икономически преимущества на всички инсталации, където те се ползват. Затова те могат да бъдът икономически конкурентни в редица случаи спрямо централи, работещи на въглища и някои други традиционни горива. От екоенергетична гледна точка предлаганите технологии са без конкуренция.

Изчисление на началната инвестиция

За ветровите генератори

В България нямаме опит при проектирането, строителството и експлоатацията, нито на вятърни, нито на слънчеви електроцентрали. Приемаме средна евроцена за инвестиционните разходи за вятърна централа около $1 200 на киловат инсталирана мощност и при включване на турбината при скорост на вятъра 6 м/с . При тези данни цената на един квч произведена електроенергия е между 4 и 5 US цента. Използването на ноу-хауто и съответните технологии изисква монтирането на ветроускорители, които оскъпяват инвестицията с около 10%, т.е. тя става $1 320 на киловат конвенционална инсталирана мощност.
А. Eксперименталните данни, получени от прототипите, показват че при 9 % ускоряване на въздушния поток само с един регулатор, мощността на ветрогенератора с увеличава 1.3 пъти .
Б. Това също означава, че генераторите ще включват не при 6, а при 5.5 м/с скорост на вятъра.

Ветровите данни показват, че в интервала 5.5-6 м/с с ускорител турбината ще работи ефективно около 1.1 пъти по-дълго време, през което вятърът е с 9% по-ниска скорост от средната. На практика разходите по управление и експлоаация ще бъдат същите.

Резултатантен ефект от А и Б.

От двата ефекта на технологиите - общо се получава около 1.43 пъти по-висока инвестиционна ефективност на новите технологии, спрямо конвенционалните, което редуцира цената от $ 1320 на $ 923 (1320 / 1.43=923) на киловат инсталирана мощност и и то при включване на турбината при скорост на вятъра 5.5 м/с, без да се отчита по-високия КПД при всички режими на работа. Експериментите показаха, че турбината може да се включва към електропреносната мрежа и при скорост на вятъра под 5 м/с, благодарение на ветроускорителите. Дотолкова, доколкото изчисляваме с минималните технологични ефекти, то цената $ 923 на киловат инсталирана мощност с работещи ветрорегулатори, смятаме за горна граница на инвестицията. Затова можем да смятаме за минимални икономическите ефекти в таблици 1, 2 и 3.

За слънчевата генерация

Цената на слънчевата генерация е около $ 8 000 на киловат инсталирана мощност, но в този случай тя се намалява, тъй като цената на основите, опорите, въртенето и управлението на слънчевите клетки, всъщност изпълняват същевременно и функцията на подвижен ветроускорител, въртящ се вертикално и хоризонтално едновеременно. Затова цената спада до около $5000.

По закон, инвестициите и разходите за присъединяване на подобни обекти към мрежата на НЕК са за сметка на НЕК, а произведената енергия се изкупува 100%. За разлика обаче от ВЕЦ, в случая (за вятъра и слънцето) не се плаща ежегодно водно право и не е нужно да се съблюдава водния дебитен режим, който е задължителен за всеки ВЕЦ. Също, не е необходим лиценз за обекти до 5 мегавата инсталирана мощност.

Ноу хау за оптимизация на съотношението ветрова Рв към слънчева Рс инсталирана мощност

Това е универсален оптимизационен математически модел, който се прилага преди проектирането и разработването на детайлен бизнес план за всяка площадка на хибридна електроцентрала.

Безспорно, това зависи от конкретниите райони, където ще се строят централите. Очевидно е, че слънчевото греене в нашите географски ширини, средногодишно е многократно по-малко по време, в сравнение с целогодишните денонощни ветрови условия. Затова за оптимизационен критерий на хибридната инсталация избираме цената на конвенционална ветрова инвестиция.

Оптимизацията естествено зависи и от инвестиционната цена В и С в долари за киловат, съответно на Рв и Рс в киловати. Оптимизационното уравнение има следния вид :

Рв х В + Рс х С = (Рв + Рс) И,
където И е цената на инсталацията в долари за киловат и е равна на средната инвестиция за един киловат конвенционална ветрова електроцентрала.

Ние установихме, че горната граница на ветровата инвестиция е В = $ 923, а С= $ 5000. От оптимизационното уравнение можем да изчислим, например че разпределението на ветровата Рв и слънчева Рс инсталирана мощност за един стълб, е съответно 250 и 20 киловата при цена И =$ 1200 = 2400 лв. При тази цена и това оптимално разпределение на мощностите са направени изчисленията в таблици 1, 2 и 3 за пресмятане на инвестиционните показатели. Следва да отбележим, че без оптимизиция на съотношението на мощностите Рв и Рс, в никакъв случай не може да се гарантира пълният икономически и екологически ефект от хибридната електроцентрала .

Максимизиране на ефекта от електроенергийния бизнес с хибридна електроцентрала

Описаният по-горе оптимизационен подход показа как да се максимизира ефекта от инвестицията. Не винаги оптималната инвестиция е оптимална и от експлоатационна гледна точка, а това безусловно влияе и на рентабилността на бизнеса като цяло, не само в периода на възвръщаемост на инвестицията, но и още по-силно - след това. Затова годишните експлоатационните разходи за 1 kW инсталирана мощност (за i –тата година Еi) са не по-маловажен критерий, отколкото стартовата инвестиция. Това безспорно е стандартна съставна част от всеки бизнес план, но в случая не се изчислява при някакви начални параметри на инвестицията, а предварително се оптимизира бизнеса, при което се фиксира най-рентабилното отношение Рв /Рс не само в периода до възвръщане на инвестицията, но и след това.

За периода на възвръщане на инвестициите n ще се натрупат експлотационни разходи равни на n x Еi x (Рв + Рс), а след това ще изминат още m години до пълната амортизация на стратовите капитални инвистиции, при което ще бъдат направени още експлоатационни разходи, равни на m x Еi x (Рв + Рс), а за целиа период се получават разходи равни на (n +m) x Еi x (Рв + Рс),

Оптимизацията естествено зависи и от инвестиционната цена В и С в долари за киловат инсталирана мощност, съответно на Рв и Рс в киловати. При това получаваме оптимизационната система от три уравнения, която има следния вид:

Рв х В + Рс х С - (Рв + Рс) х И = 0

Еi - Еiв = 0

S – {[Рв х В + Рс х С + (n +m) x Еi x (Рв + Рс)] / (n +m) х Wi} = 0 ,

Където Еiв са годишните експлоатационните разходи за инсталацията в долари за киловат и са равни на средните за конвенционална ветрова електоцентрала. S е себестойността в долари на един киловатчас електроенергия, произведена от конвенционална ветрова инсталация, а Wi е средногодишното производство на електроенергия (в киловати) от хибридната централа.

Българската вятърна енергетика е в зората на своето развитие. У нас ветровите русерси не са като в Дания и Германия, например, но има много райони, които са средно подходящи за ветрови електроцентрали. Независимо от това - все още нямаме големи ветроенергийнни електроцентрали, свързани към енергиийната ни система. Причините са ясни. Няма субсидии, а изкупната цена е по-ниска от себестойността на вятърната електроенергия.  В началото на 2003 г. изкупната цена на Националната елекропреносна компания (НЕК) бе  6 ст. за киловатчас от водните електроцентрали, а  по средата на същата година бе  8 ст. Най-ниската цена за киловатчас от мащабни ветроцентрали в САЩ и Европа е между 3.5 и 5 евроцента. Такива стойности се постигат, когато средната скорост на вятъра около 1.2 – 1.4 пъти по-висока от тази у нас. Затова с използването на известните масови технологии на ветрогенераторите, при съпоставими технически параметри, ветроцентралите у нас ще произвеждат  по-малко електричество в годишен разрез и то ще бъде по-скъпо, поради което времето за откупуване на инвестицията ще бъде по-дълго. Предимство за България е, че земите са многократно по-евтини, отколкото тези, на които са построени ветрогенераторите в Дания, Германия, Гърция  Великобритания и т.н. И тъй като в инвестицията влиза и земята или правото и за дълготрайното й  ползване, то като цяло ветроенергетиката може да стане бизнес и у нас. За това допринасят четири нови съществени моменти в закона за енергетиката.

1. От 2003 година изкупната цена е вече 12 ст. без ДДС за киловатчас ветроелектроенергия и ще продължава да расте с ръста на цените на дребно. По закон е предвидено, че изкупната цена не може да бъде по-ниска от 80% от цената на дребно за бита.

2. За всеки произведен киловатчас от възобновяем енергиен източник ще се издава зелен сертификат, който ще се продава, независимо това на кого се доставя ветроелектроенергията. Печалбата от предвидените зелени сертифика е равна на приходите от цената им, защото за тях не се правят разходи. Всички разходи влизат в себестойността на  електроенергията. Повече за зелените сертификати и другите механизми за парични стимули вижте тук.

3. Съществена преференция за ветроенергийния бизнес е законовото задължение на НЕК да изкупува 100% произведената вятърна еленергия.

4. Законово задължение на НЕК е да изгражда или да заплаща изграждането на необходимата присъединителна мрежа до мястото на ветренергийното съоръжение.

Посочените редица предимства за ветроенергийния бизнес у нас не могат да бъдат променени, поради вече затворената глава Енергетика от преговорите ни с ЕС, където отдавна има по-големи преференции. Това гарантира устойчивото покачване на стимулите за ветроенергетиката в България. Тенденцията за повишаване на цената на енергията, у нас и глобално, не се очаква да се обърне. Всички знаем, че нашата енергетика е зависима от голям процент внос на първични енергоизточници. Цената на еленергията ще нараства, дори и след влизането ни в ЕС, заради милиардите, необходими за погребването на затворените реактори в АЕЦ, за които стана ясно, че няма да получим достатъчни компенсации от ЕС.

Рискът на ветронергетиката е в трудната й предсказуемост. Единственият подход за минимизиране му е внимателното и детайлното предварително анализиране на ветровите условия, които зависят от релефа, ландшафта и редица други особености не само на конкретно избраното място, но на и голям район около него. Само така могат да се изберат подходящи ветрогенератори, за да се увеличат печалбите от този бизнес и да се скъси срокът за изкупуване на инвестицията.

През последните години енергийни инвеститори се насочиха към използването на водните ресурси у нас, чиято експлоатация законово също се стимулира. Принципната разлика с ВЕЦ е, че началните инвестиции са много по-високи при водните централи и тяхното изграждане е свързано с много сериозни проблеми като например за регулираното многоцелево използване на водите, каквото при вятърната енергетика няма, както не се плаща и водно право и не се изграждат никакви спомагателни съоръжения като деривации, язовири и т.н..

При очакваното развитие на цените на еленергията и при местно производство на повечето елементи на ветровите електрогенератори, началните инвестиции за вятърната електроенергетика ще бъдат сравнително ниски. По-долу представеният проект е правен за локално елпроизводство и е технологично съобразен с възможностите на българската промишленост. По принцип всеки ветроенергиен проект е строго специфичен. Петвариантността на приложения проект е наше “ноу-хау”, разработено и изпитано на прототипи, и предназначено да покрие широки ветрови диапазони. Но тази многовариантност се отнася само до ротора, който е предвиден за масово производство. Всичко останало- като се почне от фундаментите на стълбовете и се свърши до автоматиката и наладката е съвършено различно, което се вижда и от различните номинални мощности от 5 до 13 киловата.                                                   

[ Пeтвариантен аеродинамичен проект за ветрова турбина, съобразена с българските ветрови условия  /Резюме/

Инж. Рая Младенчева

1. Цел на проекта

Разработване на нова аеродинамична форма на лопата за хоризонталноосев ветрогенератор със средна дължина от 9 – 10m, за  постигане ниско индуцирано съпротивление и намален шум при сравнително ниски обороти и произвеждащ висока мощност при скорост на вятъра от 5 – 7m/s.

2. Aеродинамичния проект

За проектирането на 10 метрова, 3 лопатова вятърна турбина е използван профил МН – 102. В аеродинамичния проект се прилагат теорите за поелементен анализ на лопатите и роторната оптимизация. Теоретичната максимална граница на ефективност, съгласно физическия модел на Бетц, определена от теорията на въртящ се диск, се получава, когато скоростта на изходящия от турбината ветрови поток е 1/3 от скоростта на несмутения. Теорията на оптималния ротор се основава на този математически извод и дава едно отимално решение за проектирането на лопатата, което сме алгоритмизирали, за да изчислим основните параметри на ротора:

За получаването оптимално КПД на турбината в работни условия може да се използва теорията на поелементния анализ на лопатата. Съгласно анализа КПД на лопатата е безмерен коефициент С р.

Максималната стойност, съгласно модела на Бетц е C_p e 0.593.

За постигането на ниско индуцирано съпротивление, следователно и намален шум, в проекта е предвидено турбините да работят при сравнително ниски обороти, съобразени и с ветровите скорости в България. Преобладаващите скорости на вятъра са от 5 – 7m/s в повечето приемливи за електрогенерация ветрови зони у нас. При такива ветрове проектираната турбина постига максимална полезна мощност.

Профилът МН – 102 на фигура 1 е избран с такова напречно сечение на лопатата, каквото е проектирано за ветрогенератори със средни размери. Този профил дава голяма аеродинамична сила при ниско съпротивление. Наранявания върху повърхнината на лопатата, водни капки, замърсявания и грапавини почти не влияят върху КПД на турбината с профил МН – 102 на лопатите.

Таблица 1. Координати на профил МН -102