Актуальность

Основная концепция проводимых работ заключается в использовании тепловой и кинетической энергии окружающей среды, то есть воздуха и воды, для экологически чистого энергоснабжения автономных объектов, а также  последующего превращения и накопления полученной энергии в виде полезного вещества и даже готового товара, например, опреснённой воды, продуктов нефтеперегонки, спирта и т.п.

В настоящее время отбор кинетической энергии внешней среды производится, в основном, крыльчатыми и пропеллерными двигателями, которые нагружаются обычно на тихоходные электрогенераторы с аккумуляторами или сетевыми преобразователями стандартных ЛЭП. Однако тихоходные электрогенераторы имеют высокую стоимость и массогабаритные характеристики и без редукторов мультипликаторов плохо согласуются с относительно низкооборотными ветро- и гидродвигателями.

Кроме того, собственное потребление электроэнергии промышленными и жилыми объектами не так уж и велико, потому что она часто весьма нерационально используется для отопления, горячего водоснабжения и приготовления пищи, то есть в виде тепловой энергии, которая легко получается из других видов энергии.  Так, в сфере ЖКХ доля финансовых расходов тепловой энергии, идущей на отопление,  ГВС и приготовление пищи, составляет 60%. Тогда как на бытовые электроприборы расходы составляют около 10%, а на освещение всего 1%.  Следовательно, экономия этого мизерного процента супердорогими светодиодными лампочками не идёт ни в какое  сравнение с потенциальной экономией тепловой энергии, которую нетрудно извлечь из той же окружающей среды, минуя старые теплоцентрали с их технологическими потерями и дорогостоящим содержанием. Всё это несправедливо возложено энергогенерирующими предприятиями на городские службы и рядовых жильцов, хотя процесс охлаждения и водоподготовки теплоносителя является неотъемлемой частью технологического цикла энергетиков, а не коммунальных служб.

Для получения тепловой энергии существует большое количество различных теплогенераторов и тепловых насосов, для привода которых необходимы именно дешёвые источники механической энергии и низкопотенциального тепла. Даже при использовании электропривода тепловые насосы (кондиционеры, холодильники и т.п.) получили широкое распространение в странах с умеренным климатом, но для их внедрения на отечественном рынке необходимо существенное увеличение их коэффициента тепловой эффективности, поскольку среднегодовые температуры в России гораздо ниже, а отопительный период – длиннее.

При этом в мощных тепловых насосах, предназначенных для многоквартирных домов и коттеджей, необходимо заменить довольно вредный фреон и аммиак на нейтральное рабочее тело, безопасное для окружающих и способное функционировать в широком диапазоне температур.

Довольно эффективный отбор тепловой энергии из окружающей среды обеспечивают и солнечные панели, которые могут быть использованы в качестве испарителей и пиковых котлов тепловых насосов в случае уменьшения кинетической энергии или аварийных ситуациях с ветродвигателями.

Технология

Разумеется, вышеуказанные проблемы следует решать комплексно, в виде единой унифицированной технологической и аппаратной цепочки, которую легко можно адаптировать к конкретным природным условиям и требования потребителя.

В качестве основного преобразователя кинетической энергии окружающей среды в данной разработке используется петлевой пропеллер Шпади с  невинтовой рабочей поверхностью, в частности, с поверхностью Мёбиуса, а также его последняя модификация – пропеллерная «матрёшка», состоящая из петлевого пропеллера, внутри которого расположен обычный пропеллер противоположного вращения.

В аэродинамическом отношении «пропеллер в пропеллере» эквивалентен группе из трёх соосных винтов, способных обеспечить суммарный КПД больше, чем,  получается, по теории  одиночного «идеального» винта. Тем самым обеспечиваются более эффективное использование ометаемой поверхности и компактность конструкции.

Для последующей передачи механической энергии к полезной нагрузке используется специальная трансмиссия в виде углового редуктора из двойного дифференциала, способная полностью развязать угловые координаты поворота пропеллера и поворота его оси по азимуту вслед за ветром, что принципиально необходимо для обеспечения самоориентации ветродвигателя и размещения электро- или тепло-генератора на земле у основания мачты, а не на её вершине.  Благодаря этому существенно уменьшаются материалоёмкость и стоимость мачты и технического обслуживания.   

Вышеуказанная трансмиссия нагружается на разработанные нами теплогенераторы,  использующие фрикционный нагрев рабочего тела в магнитном или гравитационном поле. Благодаря этому изнашиваются не конструктивные детали, а нано-частицы ферромагнитной жидкости или балласта «гравицапы», которые являются расходными материалами и составляют лишь незначительную часть эксплуатационных расходов.

При этом компактные  саморегулируемые теплогенераторы на магнитной жидкости целесообразно использовать до мощности 50 кВт, тогда как гравитационные становятся более конкурентно способными при мощности более 100 кВт, поскольку их габаритная мощность пропорциональна линейному размеру в степени 7/2. Существенным достоинством теплогенераторов является способность нагревать теплоноситель, например, масло- или кремнеорганическую жидкость до температуры 200 и более градусов по Цельсию, что необходимо для приготовления пищи, а недостатком следует считать невысокий КПД, который не может быть более 100%.

Поэтому для отопления различных помещений теплоносителем с температурой до 80 градусов более перспективными считаются тепловые насосы, обеспечивающие в несколько раз более высокую тепловую эффективность, так как они не создают, а только перекачивают тепло с низкотемпературного уровня на более высокий. Так, существующие тепловые насосы и кондиционеры имеют коэффициент тепловой эффективности 3-4 единицы и могут соединяться с трансмиссией вышеуказанных ветродвигателей при помощи низкооборотного компрессора, подключённого параллельно штатному компрессору с электроприводом, который будет включаться соответствующими датчиками лишь при недостаточной скорости ветра.

К сожалению, для континентального климата России, где средняя скорость ветра составляет всего 5 м/сек, что в два раза меньше номинальной скорости ветра, на которую рассчитаны импортные ветродвигатели и их отечественные аналоги; такие энергетические комплексы непригодны, поскольку мощность ветра пропорциональна его скорости в кубе, а коэффициент тепловой эффективности резко падает при увеличении разности температур между отапливаемым помещением и окружающей средой.  Даже применение солнечных панелей в качестве испарителя или пикового котла теплового насоса не может обеспечить полную автономность такого комплекса из-за непостоянства величины солнечной радиации, которая никак не связана со скоростью ветра.

Для решения этой проблемы были предложены двухконтурные тепловые насосы с гетерогенным (двухфазным) рабочим телом в виде масло-аргонной пены, работающие по треугольной половинке цикла Карно, которая обладает в два раза меньшей площадью и соответствующими механическими затратами, но обеспечивает практически такую же теплопередачу, как идеальный цикл Карно.  Это примерно вдвое увеличивает коэффициент тепловой эффективности таких насосов и значительно расширяет температурный диапазон их работы, так как гетерогенное рабочее тело не имеет температуры фазового перехода и постоянно, до температуры 300 градусов, находится в жидком и газообразном состоянии с максимально возможным показателем адиабаты сжатия благородных одноатомных газов.  

В ветротеплоустановке, работающей по указанному циклу, возможно  получение и электроэнергии от дешёвого быстроходного электрогенератора автомобильного  типа, кинематически связанного с валом пневмодвигателя – детандера, по отношению к которому компрессор устройства работает как повышающая пневмопередача механического движения от ветродвигателя к генератору.

Вместо накопления полученной энергии в электроаккумуляторах, предлагается её преобразование и накопление в виде дистиллированной метастабильной воды или продуктов нефтеперегонки, производимой самим гетерогенным рабочим телом теплового насоса без нагрева большой массы обрабатываемого продукта (воды, браги, сырой нефти и т. п.)   В конечном счёте, это позволит овеществить капризную энергию окружающей среды в обычной товарной форме для удовлетворения насущных потребностей человека,  который живёт и работает отнюдь не на электробатарейках.

Таким образом, комплексное применение вышеперечисленных ноу-хау позволит обеспечить автономное и экологически чистое энергоснабжение промышленных, сельскохозяйственных и жилых объектов относительно дешёвым способом.

Апробация

Наиболее подробные исследования невинтовых пропеллеров с петлевыми лопастями двойной саблевидности проводились на предприятиях авиационной промышленности. Согласно результатам виртуальных компьютерных и натурных испытаний, такие пропеллеры обеспечивают более высокий КПД в режиме зависания, то есть работе на месте, и на очень высоких оборотах по сравнению с аналогичным винтом, у которого эффект запирания наступает гораздо раньше.

При этом пропеллер двойной саблевидности значительно превосходил японский и голландский шаровые пропеллеры за счёт формирования более однородной и равномерно сфокусированной струи воздушного потока с незначительной турбулентностью и шумом.

Бесшумными и самостартующими оказались и крыльчатые ветродвигатели с вертикальной осью вращения с новыми щелевыми крыльями незамкнутого профиля, у которых полётные углы удалось увеличить с традиционных 15 градусов до 70 и более градусов, что положительно сказалось на величине их вращающего момента и быстроходности.

В ходе выполнения государственного контракта № 122/04 от 15.11.2004 г. с экологическим фондом Ульяновской области была доказана работоспособность и экономическая целесообразность Локальных теплосетей на атмосферной энергии.

Теплохладоснабжающие установки с гетерогенным телом из воздушной пены и открытым контуром наглядно продемонстрировали возможность получения сопутствующей электроэнергии при помощи детандера из обычной пневмодрели, соединённой с высокооборотным автомобильным генератором мощностью 1 кВт.

Тогда как термогенераторы на магнитной жидкости уже несколько лет серийно выпускаются одним стакостроительным заводом в качестве высокоточных нагрузочных тормозов с измерителем вращающего момента.  Остальные элементы вышерассмотренного комплекса ещё находятся на стадии патентования и лабораторных исследований, но их теоретическая обоснованность и новизна сомнений не вызывают, что подтверждается следующими патентами и публикациями.

1. Патент РФ № 1800686, Способ смешивания неоднородной среды.
2. Патент РФ № 2269028, Роторный ветродвигатель.
3. Патент РФ № 2204049, Тепловая гидроустановка.
4. Патент РФ № 2319912,  Способ трансформации тепла.
5. Патент РФ № 2330791, Пропеллер Шпади и развёртка его лопастей.
6. Патент РФ № 2362707,  Струйно-щелевая лопасть.
7. Патент РФ № 2424446, Угловая передача.
8. Патентная заявка № 2009106274/11, Соосный коаксиальный пропеллер.
9. Патентная заявка № 2011134205/11, Ветротеплоустановка.
10. Шпади А.Л., Тимофеев В.Ф. Невинтовые пропеллеры. Материалы международной научно-практической конференции 20.11.2008 г., УВАУГА.
11. Ушаков Н.У., Шпади А.Л., Тимофеев В.Ф. О повышении эффективности работы двигателей в воздушной и водной среде. Труды XXXVIII Уральского семинара «Механика и процессы управления»,  23.12.2008 г., г. Миасс.
12. Ушаков Н.У., Шпади А.Л.  Применение крыльев незамкнутого и переменного профиля. Краткие сообщения Российской школы, Наука и технологии, 15.06.2010 г., г. Миасс.

Посмотреть модель ветроустановки и узнать подробности ее работы можно
в офисе ЗАО «ЦЕНТР НЕДВИЖИМОСТИ»
по адресу: ул. Радищева, 3. Тел. 41-05-05.