Как турбина влияет на расход топлива: Как турбина влияет на мощность двигателя. Система турбонаддува и как она работает

• EngineSim — Симулятор двигателя:
• Расчет расхода топлива:

Наверх

Перейти к …

Руководство для начинающих Домашняя страница

byTom Бенсон
Присылайте предложения / исправления по адресу: benson @ grc.nasa.gov

Избегайте более высоких затрат на потребление топлива

Производство электроэнергии в основном по-прежнему основано на природном газе . В последнее время газотурбинные технологии стремятся к более эффективному использованию энергии природного газа. В результате многие пользователи сейчас говорят об эффективности газовой турбины . С другой стороны, основные производители турбин конкурируют за создание «наиболее эффективного» продукта. По мере того как борьба за право хвастаться продолжается, необходимость глубже понять, что такое эффективность, никогда не была более привлекательной.В этой статье мы стремимся определить расчет КПД газовой турбины и рассмотрим, как снизить расход топлива.

Выражение КПД газовой турбины

В отличие от паровой турбины, расчет КПД газовой турбины немного сложен. GT представляет паровые условия, которые очень динамичны. Эти условия во многом зависят от атмосферных условий и типа топлива. Условия в ГТ являются переменными, они должны быть выражены как тепловой КПД, тепловая мощность, киловатт-час и БТЕ на лошадиную силу.Мы могли бы сравнить показатель миль на галлон для автомобиля с БТЕ / кВтч для газотурбинной электростанции. Единственная разница в том, что более низкая тепловая мощность означает более высокую эффективность, в отличие от автомобиля. Газовые турбины — это устройства для преобразования энергии топлива в электрическую энергию (через электрические генераторы) или механическую энергию. Обычно они используют цикл Брайтона, который представляет собой термодинамический цикл, который включает сжатие и расширение газовой среды. Идеальный цикл может обеспечить 100% производительность, но настоящая газовая турбина всегда будет иметь определенный уровень потерь и трения.

Общее уравнение баланса в упрощенной форме выглядит следующим образом: : Мощность на валу = Энергия топлива — Мощность, необходимая для сжатия — Энергия выхлопа — Механические потери Из уравнения это означает, что рентабельность зависит от мощности турбины и стоимости топлива. Оператор может контролировать только мощность турбины, поскольку стоимость топлива не зависит от него. Вот почему песня о повышении эффективности турбин в ближайшее время не прекратится. Для лучшего понимания приведенного выше уравнения стоит рассмотреть секции газовой турбины.Электростанция, работающая на природном газе, может показаться сложной, но она состоит из трех основных секций:

1. Компрессор : всасывает, нагнетает и направляет воздух в камеру сгорания. Воздух здесь очень быстро движется.
2. Камера сгорания : состоит из топливной форсунки, которая создает поток топлива для смешивания с воздухом. После сжигания при температуре 2000 градусов по Фаренгейту эта смесь образует высокотемпературный газовый поток под высоким давлением, который готов войти в турбину.
3. Секция турбины : она состоит из сложной комбинации вращающихся и неподвижных лопаток аэрофольгированного сечения. Вращающиеся лопасти реагируют на расширение горячего горючего газа. Эти лопасти выполняют две основные функции: вращают генератор для выработки электроэнергии и приводят в действие компрессор, направляя больше сжатого воздуха в камеру сгорания.

Ухудшение производительности — дорогостоящие последствия

Каждая газовая турбина страдает снижением производительности во время работы, одной из причин этого ухудшения является высокая температура окружающей среды. Ухудшение характеристик приводит к потере выходной мощности и увеличению расхода топлива. Оба этих воздействия могут негативно повлиять на организацию, поскольку они влияют на эксплуатационные расходы и доходы. В целом, эти факторы могут сделать стоимость жизненного цикла газовой турбины невыносимой. Что касается производства электроэнергии, эксплуатационные расходы могут превысить 1 млн долларов при потере мощности на 3% и увеличении расхода топлива на 1%. Газовая турбина состоит из нескольких компонентов — турбины, камеры сгорания и компрессора. Когда характеристики любого из этих компонентов изменяются, это может привести к увеличению тепловыделения и потере выходной мощности.Это увеличит расходы на топливо для электростанции.

Как избежать увеличения затрат?

Есть несколько способов добиться этого, но мы рассмотрим один из них — повышение производительности электростанции. Увеличение мощности GT — специальность ARANER. Наряду с этим мы повышаем производительность, чтобы обеспечить надежную работу электростанций. Компания известна своей системой кондиционирования воздуха на входе, которая снижает температуру воздуха на входе в газовую турбину. Есть несколько подходов к этому, включая охлаждение на входе, охлаждение испарением и туманообразование.ARANER предлагает охлаждение на входе с помощью технологии, которую он называет воздушным охлаждением на входе турбины (TIAC). Это гарантирует, что температура на входе в турбину не превышает заданную температуру. TIAC обеспечивает оптимальную мощность за счет постоянного охлаждения. Кроме того, эта технология снижает затраты на техническое обслуживание и продлевает срок службы турбины.

Другие улучшения для повышения эффективности

Анализ рынка показывает, что производители газовых двигателей используют различные методы для повышения эффективности газовых турбин с меньшими затратами.Эти методы основаны на увеличении степени сжатия компрессора, увеличении воздуха на входе в турбину и увеличении массового расхода.

Повышение эффективности за счет накопления тепловой энергии

Araner предлагает решения для охлаждения воздуха на входе в турбину (TIAC), которые могут сочетаться с накоплением тепловой энергии (TES). Такая установка устраняет необходимость в электростанции, работающей на природном газе с пиковым доходом в миллион долларов. Это дает возможность использовать энергию, вырабатываемую в ночное время, для охлаждения воды, хранящейся в резервуаре TES.Накопленная вода используется на следующий день, когда спрос находится на пике. Хотя чиллер работает круглосуточно и без выходных, он делится между производством охлажденной воды и обслуживанием газовых турбин холодной водой. Холодная вода из резервуара дополняет чиллер в дневное время, когда потребность в нем увеличивается. Это очень важно, потому что турбина, работающая на природном газе, может значительно потерять мощность в жаркое лето. Хранение с использованием резервуара TES помогает компенсировать потерю эффективности. Дополнительным преимуществом этого метода повышения эффективности является то, что операторам и владельцам не приходится терпеть длительные процессы выдачи разрешений, связанные с установкой новой электростанции или газовой турбины.

Степень давления компрессора

Степень давления — один из наиболее важных параметров, связанных с производительностью и эффективностью газовой турбины. Вы можете оптимизировать эффективность двигателя, увеличив разницу или соотношение давления нагнетания компрессора к температуре воздуха на впуске. Эта степень сжатия компрессора определяется конструкцией производителя. При анализе этого соотношения выделяются две конструкции газовых турбин — авиационная и промышленная (тяжелая рама).ГТ с тяжелой рамой спроектированы для работы с низким передаточным отношением около 18: 1 по сравнению с ГТ с авиационной производной, у которых соотношение составляет около 30: 1. Последние являются легкими, более экономичными и производят меньше выбросов, поэтому они идеально подходят для реактивных двигателей. К сожалению, они, как правило, более чувствительны к температуре на входе компрессора.

Парогенератор-утилизатор (HRSG)

HRSG закреплен на выхлопе турбины для повышения эффективности системы. Этот компонент улавливает отходящее тепло, производимое турбиной, и использует его для предварительного нагрева нагнетаемого воздуха компрессора перед его поступлением в камеру сгорания.Котел-утилизатор — это сердце электростанции с комбинированным циклом (ПГУ), в которую также входят паровые турбины. HRSG просто передает энергию от отработанного тепла в водную систему, в результате чего получается пар. Пар приводит в действие паровую турбину, которая, в свою очередь, дополняет энергию, вырабатываемую электростанцией, работающей на природном газе простого цикла. Паровая турбина и газовая турбина работают одновременно, а газовая турбина работает так же, как и одна, за исключением того, что в установке ПГУ отходящее тепло отводится в ПГРТ.В котле-утилизаторе для нагрева воды используется много тепловой энергии, которая иначе была бы потрачена впустую. Отработанное тепло возникает из-за термодинамических ограничений процесса и неэффективности системы / оборудования. Борьба с производственной эффективностью осуществляется либо за счет сокращения потребляемой энергии, либо за счет добавления нового, более эффективного оборудования. Улавливание и повторное использование отработанного тепла является более привлекательным решением, поскольку во время работы теряется много энергии. Повторное использование отработанного тепла значительно увеличивает эффективность, но при этом заметно сказывается и на выбросах.Комбинированные циклы используют меньше топлива, тем самым уменьшая количество загрязняющих веществ и парниковых газов в атмосфере. Современные комбинированные установки также используют системы селективного каталитического восстановления (SCR), снижающие до 90% количества отходящего тепла.

Как температура влияет на КПД турбины?

Выходная мощность газовой турбины обратно пропорциональна температуре, т. е. когда температура снижается, выходная мощность увеличивается. Чтобы объяснить эту взаимосвязь, вот несколько идей:

• Плотность воздуха увеличивается с понижением температуры
• GT — устройство с фиксированным объемом
• Увеличение массы воздуха через ГТ увеличивает выходную мощность

Рис.1: Характеристики газовой турбины в сравнении сТемпература окружающей среды. Источник

В жарком климате существует особая проблема, когда плохая производительность ГТ совпадает с пиковым спросом на электроэнергию. Инженер, проектирующий систему для таких климатических условий, должен учитывать это важное соображение для надежного расчета КПД газовой турбины . Инженеры ARANER моделируют газотурбинную систему в течение года, регулярно собирая данные о температуре окружающей среды в течение этого периода. Вы можете связаться с командой для получения более подробной информации об этом процессе.

Заключение

Чтобы снизить высокий расход топлива в газовой турбине, нужно сначала взглянуть на различные формы расчета КПД газовой турбины. Питер Друкер однажды сказал: «Если вы не можете его измерить, вы не сможете его улучшить». Вам нужен опытный партнер для тщательного расчета эффективности газовых турбин. Объединитесь с ARANER, чтобы получить самые комплексные сервисные решения для газовых турбин. Услуги включают диагностику, мониторинг и обновления. Технология TIAC — популярное решение для снижения расхода топлива, но не стоит останавливаться на достигнутом.После обзора вашей системы и существующих возможностей могут применяться и другие подходы. Если вам понравился этот пост, возможно, вам стоит прочитать Резервуары для хранения льда: экономичное решение для небольших площадей.

Пять технологий на взлетно-посадочной полосе После Boeing Dreamliner

Полмили на галлон может показаться ужасной экономией топлива, но для транспортных средств, перевозящих сотни пассажиров на большой высоте, это означает огромный прогресс в эффективности.

Для американских авиакомпаний количество внутренних рейсов в настоящее время составляет 0.54 авиационных мили на галлон реактивного топлива (0,23 километра на литр), что на 40 процентов больше, чем в 2000 году. Также был достигнут прогресс в отношении более тяжелых реактивных самолетов на международных рейсах: улучшение на 17 процентов до 0,27 миль на галлон (0,12 км / л). .)

И все же нужно сделать гораздо больше. (Узнайте больше о достижениях в области повышения эффективности самолетов или пройдите соответствующий тест: «Что вы не знаете о рейсах и топливе».)

Объем воздушного движения во всем мире увеличивается настолько быстро, что глобальные выбросы углекислого газа от авиации, которые теперь представляют Согласно одному прогнозу, всего от 2 до 3 процентов всего загрязнения CO2 к 2050 году может вырасти на 500 процентов.А для большинства авиакомпаний расходы на топливо превзошли затраты на оплату труда как их самые большие расходы, около 40 процентов операций, или 47,3 миллиарда долларов в прошлом году для американских перевозчиков. Возобновляемое реактивное топливо доступно, но в настоящее время оно даже дороже, чем керосин на нефтяной основе, который он заменяет. (См. Статьи по теме: «По мере роста цен на авиакеросин, экологичный вариант приближается к взлетно-посадочной полосе» и «Взлетает первый коммерческий рейс по производству биотоплива в США»).

Вот почему мир авиации ищет технологии, формы и материалы, которые могут трансформировать полет намного более впечатляющ, чем достижения, воплощенные в Boeing 787 Dreamliner, который до того, как его приземлили в январе, был одним из самых экономичных коммерческих авиалайнеров в мире.Dreamliner потребляет на 20 процентов меньше топлива на милю, чем Boeing 767 аналогичного размера, в основном благодаря улучшенной аэродинамике и использованию легких композитных материалов.

Boeing также полагался на мощную литий-ионную батарею, поэтому он мог заменить некоторые механические компоненты электроникой, чтобы уменьшить вес самолета. Но два неприятных инцидента с батареей — один перегрелся на взлетно-посадочной полосе в Бостоне, а другой загорелся, вызвав вынужденную посадку в Японии, — привели к приземлению всех 50 эксплуатируемых лайнеров Dreamliner.Boeing предпринял шаги по замене проводов батарей, чтобы предотвратить их перегрев, а также поместит их в сверхпрочные стальные ящики, которые выходят за пределы самолета.

В пятницу Федеральное управление гражданской авиации США одобрило модификации, и ожидается, что лайнеры Dreamliner скоро вернутся в воздух. На этой неделе Национальный совет по безопасности на транспорте США проводит слушания по делу о батарее.

В то время как Dreamliner приближается к возвращению в небо, вот пять новых технологий, в том числе одна, которая дебютирует в течение нескольких месяцев, которые могут значительно повысить топливную экономичность.

Турбовентиляторный двигатель с редуктором

Производитель двигателей Pratt & Whitney из Коннектикута, подразделение United Technologies, попробовал радикальный подход к повышению эффективности турбовентиляторных двигателей — добавив редуктор. В результате двигатель с зубчатой ​​передачей с вентиляторным приводом, над созданием которого более десяти лет, может сократить расход топлива до 16 процентов. «Это огромно», — говорит Мэгди Аттиа, профессор аэрокосмической техники во Флоридском авиационном университете Эмбри-Риддла. «Это настоящий поворотный момент».

Это была не новая идея.Несколько лет назад компания Honeywell использовала мотор-редукторы для очень маленьких частных самолетов, но никогда не продвигала эту технологию. «Вероятно, это потому, что это сложно сделать», — говорит Аттиа. Коробка передач весом 250 фунтов (113,4 кг) и 18 дюймов (45,7 см) имеет мощность в 30 000 лошадиных сил, а это означает, что требуется много тепла, которое необходимо быстро устранить. А большинство авиационных инженеров не разбираются в коробках передач. Но Пратт сосредоточился на создании работающего двигателя с редуктором, и отдача от этого была огромной. Пять производителей, включая Airbus, Bombardier и Embraer, на данный момент разместили заказы на 3 500 двигателей PurePower.По словам Аттиа, производитель двигателей обычно должен продать 350 единиц, прежде чем он начнет окупать свои инвестиции в разработку нового двигателя. Таким образом, редукторный двигатель пользуется успехом задолго до его июньского дебюта на борту новых самолетов Bombardier серии C.

Pratt & Whitney заявляет, что линейка двигателей PurePower сможет сократить эксплуатационные расходы перевозчика на 20 процентов (или около 1,7 миллиона долларов на самолет в год), снизить уровень шума вдвое и сократить выбросы CO2 на 3600 метрических тонн в год.

Использование конструкции «смешанного крыла», показанной здесь, на демонстрационном самолете Boeing X-48C Hybrid Wing Body, при использовании с легкими материалами могло бы улучшить аэродинамику коммерческих авиалайнеров. (Подробнее об этом дизайне ниже.)

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Почему редуктор повышает эффективность? Современные турбовентиляторные двигатели создают тягу, вытесняя из своей активной зоны быстро движущиеся горячие газы. Но они также используют свои вентиляторы, чтобы проталкивать более медленный воздух вокруг двигателя, поэтому он смешивается с более быстрыми горячими газами в задней части, увеличивая тягу.Обычно у двигателей коэффициент двухконтурности составляет 8: 1; восемь фунтов воздуха, попадающего в двигатель, обходят сердечник на каждый входящий фунт. Чем выше степень двухконтурности, тем больше тяга и эффективность двигателя. Передаточное число редукторного двигателя Пратта составляет 12: 1. Вентилятор реактивного двигателя работает более эффективно на более низких скоростях, чем турбина сердечника, а коробка передач позволяет обоим вращаться независимо, каждый на своей оптимальной скорости. Соответственно, двигатели PurePower имеют более крупные вентиляторы и меньшие и более легкие турбины.

Однако редукторный двигатель имеет свой уникальный набор проблем. Вентилятор большего размера не может быть установлен под крыльями существующих самолетов. Все самолеты, которые будут его использовать, будут новыми, специально разработанными для более толстого вентилятора. Кроме того, в коробках передач есть подвижные части «металл по металлу», которых нет у реактивных двигателей. Аттиа ожидает, что перевозчики должны будут планировать более частые проверки и искать трещины и усталость, о которых им не нужно беспокоиться сейчас.

Первые двигатели PurePower предназначены для узкофюзеляжных реактивных двигателей. Но Аттиа говорит, что их «истинный потенциал» был бы полностью реализован, если бы они использовались на более крупных самолетах 777-го размера. «При таком размере экономия будет просто астрономической». Пратт в ответе на вопросы National Geographic News по электронной почте определенно указал, что в разработке находятся более крупные двигатели. В конце концов. Сказал Пратт: «Мы еще не объявили окончательный график выпуска широкофюзеляжного турбовентиляторного двигателя Pratt & Whitney Geared.»

Композитная керамика

В то время как Пратт сделал выбор в пользу серьезного изменения конструкции для повышения эффективности реактивного двигателя, другие исследователи сосредоточили внимание на материалах, особенно тех, которые позволили бы обеспечить более горячее сгорание. Фактически, это один из основных способов улучшения конструкции двигателей Эффективность реактивных двигателей до сих пор заключалась в поиске способов сжигания смеси топлива и воздуха в камерах сгорания турбовентиляторных реактивных двигателей при более высоких температурах, при разработке сплавов на основе никеля, которые могут противостоять нагреванию.«Мы достигли их термодинамического предела», — говорит об этих сплавах Роберт О. Ричи, ученый-материаловед из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США в Калифорнии. Это около 1150 ° C (2102 ° F). «Если мы станем намного горячее, они (лопатки турбины двигателя) буквально расплавятся».

Итак, исследователи обратились к материалу, который можно найти в большинстве шкафов: керамике.

Некоторые детали двигателя, в том числе лопатки турбины, имеют керамическое покрытие, но это не идеальное решение, поскольку покрытия могут отслаиваться, а также снижают эффективность лопаток, — говорит Ричи.Но детали, изготовленные исключительно из керамики, могут выдерживать температуры от 1300 ° C до 1500 ° C (от 2372 ° F до 2732 ° F).

Однако любой, кто хоть раз уронил чашку, знает, что керамика хрупкая. С другой стороны, металлы обладают пластичностью; они гнутся, прежде чем сломаться. Но материаловеды разработали композитную керамику, усиленную керамикой. Они добавили в смесь керамические волокна, придающие материалу пластичность.

О композитной керамике еще много неизвестно, в том числе о том, как лучше всего ее производить и улучшать ее свойства.Чтобы облегчить понимание, Ричи недавно разработал сканирующее устройство, которое использует трехмерную томографию, которая буквально просматривает материалы в режиме реального времени, когда они разрываются при температурах, достигающих более 1700 ° C (3092 ° F). Его устройство визуализации имеет разрешение полмикрона. (Для сравнения, диаметр человеческого волоса составляет примерно 75 микрон). «Мы проверяем его до предела, чтобы увидеть, как он выходит из строя», — объясняет он. Эту информацию можно использовать для расчета прогнозируемого срока службы материала и того, как далеко его можно безопасно продвинуть.Это также позволяет ученым изменить состав смеси композита, чтобы улучшить его микроструктуру и сделать его более прочным и надежным.

Ритчи прогнозирует, что в течение пяти-десяти лет будут использоваться коммерческие реактивные двигатели со значительным количеством деталей, полностью состоящих из керамических композитов, что позволит двигателям нагреваться на несколько сотен градусов Цельсия. «Сегодня мы очень рады, если сможем повысить температуру на 5 ° C (9 ° F)». Кроме того, топливная экономичность будет еще больше улучшена, поскольку керамические детали должны снизить вес двигателя на 10–30 процентов.«Это действительно революционная технология», — говорит Ричи.

«Двойной пузырь»

Может ли изменение формы фюзеляжа, легендарного трубчатого центрального корпуса самолета, повлиять на экономию топлива?

Компонент двигателя, разработанный для упомянутого выше космического самолета Reaction Engine Skylon, также может быть использован для повышения эффективности существующих двигателей самолетов. (Подробнее см. Ниже.)

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Так считают исследователи Массачусетского технологического института (MIT). В проекте, финансируемом НАСА, команда Массачусетского технологического института предложила концепцию под названием «двойной пузырь», которая по сути объединяет два фюзеляжа в один довольно пухлый. Он также имеет два двигателя, расположенные сзади. По словам Рича Уолса, ученого, занимающегося проектом НАСА, он предназначен для обеспечения части подъемной силы фюзеляжа, а не только крыльев, что позволяет ему иметь гораздо более тонкие и легкие крылья, сделанные из материалов нового поколения.

Кроме того, задние двигатели поглощают поток воздуха из пограничного слоя, улучшая лобовое сопротивление самолета.Итог: данная технология позволяет двигателям использовать меньше топлива при той же тяге, что и у обычного самолета.

Уолс считает, что двойной пузырь будет на 60-70 процентов эффективнее, чем нынешние пассажирские самолеты, хотя эти оценки частично основаны на предположении, что к тому времени выбранные материалы и конструкции станут прочнее и легче. Половина этого повышения эффективности будет связана с новой формой, говорит Уолс, и почти половина этого прогнозируемого улучшения основывается на предположении, что крейсерская скорость самолета составляет 0 Махов.72, или немного медленнее сегодняшнего среднего, 0,8 Маха.

Более подробная оценка потенциала двойного пузыря будет проведена позже в этом году, когда прототип будет испытан в аэродинамической трубе исследовательского центра NASA Langley Research Center в Вирджинии. Концепция Массачусетского технологического института возникла в результате проекта, инициированного НАСА в 2008 году, в котором инженерные группы предложили изменить стиль лайнеров, чтобы они использовали значительно меньше топлива. Boeing также представил концепцию в программе НАСА, которая будет опробована позже в этом году в Лэнгли.

Концепт Boeing получил прозвище САХАР, что означает дозвуковое (медленнее скорости звука) Ultra Green Aircraft Research. В SUGAR крылья располагаются наверху фюзеляжа и удерживаются на месте стойками, прикрепленными к шасси — как у небольших одномоторных Cessnas. Инженеры Boeing полагают, что, используя современные вычислительные гидродинамические методы, они могут минимизировать дополнительное сопротивление, вызываемое стойками, что позволяет сделать крылья длиннее, легче и выше — снижение веса и экономия топлива. Более длинные крылья также снижают сопротивление, что еще больше снижает расход топлива.В целом, по оценкам Boeing, конструкция с подкосом крыла может снизить расход топлива примерно на 60 процентов.

Boeing также рассматривает различные силовые установки. SUGAR Volt будет использовать гибридную энергосистему с электрической батареей и газовой турбиной. Для взлета будут использоваться обычные реактивные двигатели, но в крейсерском режиме самолет будет работать от батареи. Другая версия — SUGAR Freeze, работающая на сжиженном природном газе.

The Flying Wing

Представьте себе коммерческий полет на самолете, имеющем форму бомбардировщика-невидимки B-2.

Авиационные инженеры давно знали, что силуэт манты «летающего крыла», также известного как «смешанное крыло», является высокоэффективной формой для летательных аппаратов с точки зрения подъемной силы и аэродинамического сопротивления. Но фюзеляж сигарообразной формы, с которым все мы знакомы, легче спроектировать, чтобы выдерживать внешние силы, сохраняя при этом давление в кабине. Самолет со смешанным крылом, построенный с использованием обычных материалов и каркасов, действительно был бы очень тяжелым. Но НАСА работало с Boeing над самолетом со смешанным крылом с использованием легких композитов.

В течение последних шести лет в рамках проекта летных испытаний, завершившегося только в этом месяце, НАСА и Boeing проводили воздушные исследования концепции с использованием беспилотного летательного аппарата Boeing X-48 со смешанным крылом. Работа с беспилотным летательным аппаратом позволила исследователям решить такие вопросы, как трансформация планера, чтобы он лучше экранировал шум двигателя от земли, что стало бы ключевым фактором для получения признания таких самолетов в населенных пунктах вблизи аэропортов.

НАСА сообщает, что, работая с Boeing, оно разработало метод производства самолета со смешанным крылом размера 777, который был бы как минимум на 50 процентов более эффективным. Для конструктивного каркаса крыла использовались прочные, но легкие стержни из углеродного композита. Его кожа будет сделана из углеродного волокна, сшита вместе, а затем покрыта эпоксидной смолой, чтобы сделать ее жесткой. Дизайн преодолевает серьезное препятствие, потому что чем легче ткань, тем меньше она терпима к повреждениям. Вот тут и вступает в дело сшивание.«Если в композитной конструкции образовалась трещина, что мешает ей расти? Сшивание — это решение с меньшим весом», — объясняет Уолс.

В то время как концепции из других проектов под руководством НАСА, самолетов с двойным пузырем и SUGAR, вряд ли поднимутся в небо в ближайшее время, реактивные самолеты со смешанным крылом могут стать коммерчески жизнеспособными в течение нескольких лет, говорит Уолс. «Годы исследований позволили нам добиться успеха в этом вопросе», — говорит он.

Высокоскоростной теплообменник

После вывода из эксплуатации Concorde в 2003 году в эксплуатации не было гражданских самолетов, летавших со скоростью, превышающей скорость звука (1 Мах).Но британская компания Reaction Engine нацелена на создание Skylon, космического самолета, который достигнет скорости 5 Махов и доставит до любого места на Земле не более четырех часов.

Reaction утверждает, что ее двигатель Sabre, который работал бы как реактивный двигатель в атмосфере и как ракета в космосе, мог бы летать намного быстрее, чем современные военные сверхзвуковые реактивные двигатели, скорость которых ограничена 2,45 Маха. (См. Рассказ по теме: «Первый зеленый сверхзвуковой реактивный самолет, который запустят в День Земли».) Это потому, что воздух сначала должен быть сжат, прежде чем он войдет в ядро, и попытка сжать достаточно воздуха, чтобы достичь более высоких скоростей, производит плавящееся тепло металла.

Компания So Reaction разработала теплообменник, предохладитель, который имеет спиральную матрицу из трубок, каждая с толщиной стенки всего 27 микрон, для облегчения его веса. Теплообменник реакции может охлаждать воздух от 1000 ° C до -150 ° C (от 1832 ° F до -238 ° F) за сотую долю секунды или быстрее, чем мгновение ока. Однако быстрое охлаждение чего-либо до такой ледяной температуры может привести к накоплению инея и блокировке двигателя. Но компания Reaction также разработала технологию, предотвращающую образование наледи.Из соображений конкуренции не говорится, как это делается, но технология была сертифицирована в конце прошлого года Европейским космическим агентством.

Какое все это имеет отношение к повышению эффективности самолетов? Реакция говорит, что теплообменник можно установить внутри современных дозвуковых двигателей, чтобы повысить их эффективность на 5-10 процентов. Турбина реактивного двигателя приводит в действие его компрессор. Но если воздух, поступающий в компрессор, холодный, для его сжатия требуется меньше энергии. Это означает, что без повышения температуры в камере сгорания турбина будет создавать избыточную мощность, которую можно использовать для создания большей тяги.Аттиа Эмбри-Риддла говорит, что необходимо учитывать вес и стоимость, «но принцип действительно очень умен».

Представитель Reaction Engines говорит, что работоспособная коммерческая версия теплообменника может появиться на рынке «как только кто-нибудь захочет». На данный момент это всего лишь одна из новых технологий повышения эффективности, ожидающих на длинной взлетно-посадочной полосе; История показала, что процесс тестирования и внедрения новых идей в авиации идет намного медленнее, чем скорость звука.

Эта история является частью специальной серии , посвященной вопросам энергетики.Для получения дополнительной информации посетите The Great Energy Challenge .

фактов об экономии ископаемого топлива ветряными турбинами в Нидерландах

Аннотация.

Производство электроэнергии в Нидерландах с использованием возобновляемых источников энергии, особенно ветра, выросло до размеров, которые отражают его в национальной статистике производства электроэнергии. Его влияние на потребление ископаемого топлива можно определить. Основываясь на этих «официальных цифрах», мы показываем, что фактический вклад сокращения расхода топлива эквивалентен примерно 4,1% установленной — «паспортной» — мощности.Фактические данные также дают некоторое представление о механизме, который заставляет ветровую электроэнергию оказывать столь незначительное влияние на потребление первичного топлива.

Введение

Возобновляемые источники энергии вводятся в производство электроэнергии с целью экономии ископаемого топлива и уменьшения количества выбросов CO ₂ . На ранней стадии этого процесса простое предположение убедило власти и широкую общественность в эффективности использования возобновляемых источников энергии.КВтч электроэнергии, произведенной без CO ₂ , заменит кВтч, произведенный традиционным способом. Следовательно, это позволит сэкономить количество ископаемого топлива, которое в противном случае необходимо для производства того же количества электроэнергии.

Это простое понятие подверглось критике. Производство электроэнергии из возобновляемых источников влияет на работу обычных блоков, что, в свою очередь, снижает их эффективность и фактически приводит к меньшей экономии. Обычные устройства необходимы, когда некоторые из возобновляемых ресурсов, таких как ветер и солнечная энергия, недоступны.Они приходят, когда дует ветер или только в светлое время суток. Накопление электроэнергии, которое могло бы решить эту проблему, возможно только в очень особых ситуациях. В противном случае это слишком дорого.

Во всем мире развернулись дебаты между сторонниками крупномасштабных возобновляемых систем и критиками, которые утверждают, что системы не работают так, как было обещано. Поскольку речь идет о довольно значительных суммах денег, на карту поставлено очень многое. Многие люди, чьи доходы и занятия связаны с сектором возобновляемых источников энергии, не понимают аргументов, выдвинутых критиками.

Политики, которые старались в прошлом, чтобы подтолкнуть возобновляемые источники энергии, повреждение риска для их зеленого изображения, если они вдруг переходят на другую сторону.

Спор продолжается некоторое время из-за присущих ему трудностей в определении решающих фактов, которые способствовали бы принятию объективного решения. Во-первых, электроэнергетические системы в разных странах и регионах не похожи. Таким образом, влияние прерывистых источников на общую работу различается от страны к стране.Таким образом, аргументы, которые действительны в одном месте, могут не повлиять или не столь же хорошо влиять на дела в другом месте. Во-вторых, производители не хотят раскрывать соответствующие производственные данные. Они утверждают, что это конфиденциальные данные с точки зрения конкуренции. Также мы должны понимать, что некоторые данные, необходимые для окончательных выводов, просто недоступны. В-третьих, как говорят некоторые сторонники возобновляемых источников энергии, сегодняшние цифры неубедительны, потому что общая система меняется; например, более сильная взаимосвязь между регионами и так называемые интеллектуальные сети могут улучшить ситуацию.

Мы приняли активное участие в этой дискуссии, о чем можно прочитать в ряде предыдущих статей (2, 3-9). Мы поддерживали контакты с другими исследователями за рубежом, работа которых помогла нам лучше понять сложность проблемы и укрепила нашу убежденность в том, что в сегодняшнем крупномасштабном развитии возобновляемых источников энергии есть что-то в корне неправильное. Чтобы упомянуть лишь некоторые из них, я попрошу читателя ознакомиться с работами У. Поста (10) о развитии событий в США и Х. Шарманом (11) и П.Ф. Бах (12). Есть еще много отличных статей, и я прошу прощения у их авторов за то, что не перечислил их все.

Из-за отсутствия всех необходимых данных многие исследования были основаны на моделях, заполненных имеющимися, хотя и неполными, данными и дополненными общими знаниями о системах и компонентах.

Примечательными исключениями являются исследования Bentek по системам электроснабжения Техаса и Колорадо (13), Ф. Удо по ирландскому делу (5, 7, 9) и несколько исследований по Дании (11, 12).

Bentek использовал фактические данные о выбросах загрязняющих веществ, чтобы показать, что добавление ветра не привело к достижению цели по сокращению выбросов. Удо использовал подробные временные ряды добычи, предоставленные ирландским сетевым оператором Eirgrid, чтобы показать, что ветер дал намного меньше, чем предполагалось ранее. В Дании проникновение ветра настолько велико, что результаты отражаются во всех видах национальной статистики. Они показывают, что датчане могут использовать только половину электроэнергии, производимой ветром. У них есть и другие недостатки.Например, они платят за электричество примерно вдвое больше, чем французы.

Однако этих фактов о зарубежных системах недостаточно, чтобы повлиять на политику внутри страны. Аргумент о том, что ситуации и системы не похожи и их нелегко сравнивать, создает слишком удобную завесу, за которой можно спрятаться.

Мы суммировали большинство критических аргументов в недавней статье в Europhysicsnews (8). В предыдущей статье я представил модель гипотетической сборки ветряной турбины в центре Нидерландов, используя реальное поведение ветра и известные свойства газовой резервной генерации, чтобы показать, что ветровая электроэнергия может даже увеличить потребление топлива (6).Но, конечно, модель не так убедительна, как реальные факты.

Производство электроэнергии в Нидерландах

Центральное статистическое бюро Нидерландов собирает данные о производстве электроэнергии. Он составляет годовые временные ряды, которые общедоступны на его веб-сайте Statline (14). В настоящее время соответствующие серии охватывают 1998-2010 годы. Некоторые данные за 2010 год по-прежнему помечены как «предварительные». Но реальные цифры, которые ожидаются ближе к концу лета 2012 года, не будут слишком сильно отличаться от уже опубликованных.Следовательно, они не будут влиять на тенденции, которые мы вычислили и использовали ниже.

Производство возобновляемых источников энергии достигло достаточно высокого уровня, чтобы отражаться в этой макростатистике. Мы проанализировали их и представляем здесь результаты. Мы построили графики, на основе которых мы вывели текущие тенденции. В наших расчетах мы использовали эти результаты тренда . Из-за некоторого разброса данных фактические значения за определенный год могут несколько отличаться от используемых. Представленные нами графики покажут, насколько это подразумевает неопределенность.

В этом отчете мы используем ГВт (гигаватт-год) в качестве единицы электрической энергии и калорийной энергии. Мощность выражается в ГВт (гигаватт-электрическая) (15).

За весь период внутренний спрос превышал национальное производство.Нидерланды были нетто-импортером электроэнергии. Однако ситуация меняется. Производственные мощности были увеличены, и мы ожидаем, что к 2012 году страна станет нетто-экспортером электроэнергии. Мы отображаем некоторые характеристики на следующих четырех графиках.

КПД

Эффективность — важнейший вопрос при производстве электроэнергии. CBS предлагает данные о расходе топлива в калорийных единицах (ТДж) для различных видов топлива.Также есть данные о расходе топлива разными установками. Но анализ осложняется тем, что сегодня многие энергоблоки используют топливные смеси. Например. Паровые турбины, которые раньше работали только на угле, теперь имеют удлинители для газа. Некоторые газовые турбины открытого цикла (OCGT) используют отработанный промышленный газ, который они дополняют природным газом. И даже доминирующий тип генерирующих газовых турбин с комбинированным циклом (ПГУ) может получать некоторую первичную энергию от сжигания угля.
КПД традиционного производства электроэнергии η определяется как:

Ветряные турбины преобразуют энергию ветра напрямую в электрическую.Существует теоретическое значение доли энергии ветра, которую турбина может извлечь при благоприятных условиях. Однако, когда ветер недостаточно сильный, турбины производят меньше или вообще ничего. Когда ветер слишком сильный, турбины должны быть остановлены, также тогда нет производства. Поэтому используется коэффициент мощности. Это определяется как:

Мы представляем некоторые из соответствующих данных CBS в следующей серии графиков.

Аномалия эффективности

Электроэнергия с использованием природного газа производится в основном на ПГУ. Затем есть газовые двигатели и, наконец, OCGT. Отдельные вклады показаны на рисунке 9.

Свойства основных генераторов в Нидерландах, когда работали в проектных условиях , следующие:

• ПГУ.Для более старых типов η ≈ 0,55. Самые новые типы имеют η ≈ 0,60. Емкость была увеличена за счет добавления более эффективных типов. За весь период можно ожидать около 40% замены на более новые типы. Таким образом, текущий средний КПД оценивается как η ≈ 0,59 (16).

• Паровые турбины в основном работают на угле. Их η ≈ 0,455 (16).

• Число OCGT показывает некоторое увеличение, хотя намерение состоит в том, чтобы использовать их меньше из-за их низкой эффективности, которые имеют η ≈ 0,32 (16).

  Можно догадываться о причинах добавления еще нескольких генераторов OCGT. Одной из причин может быть необходимость компенсировать быстрые колебания, вызванные силой ветра. Они также используются с низкокалорийными отходящими газами сталелитейных заводов. Учитывая, что мощности сталелитейных заводов не увеличились, это не является стимулом для их установки.

• Газовый двигатель популярен среди небольших промышленных предприятий и аграрного сектора. η сильно зависит от размера: ≈ 0,26-0,45 (17).

• Ядерный реактор показывает стабильное поведение. После ремонта около 2007 г. устойчивый η около 0,348 ступенчато вырос до 0,377 (18), где и остается.

Генератор круглый год не работает на проектной мощности. Ремонт и обычное обслуживание предотвращают это. Принимая это во внимание, данные показывают, что угольная генерация и ядерная установка работают, как ожидалось. Они используются как «обязательные к работе» блоки, обеспечивающие мощность в диапазоне, на который не влияют дневные или даже сезонные колебания.Разница между их реальной производительностью и теоретической в ​​расчетных условиях невелика. Это может быть связано с этими обычными остановками на техническое обслуживание и некоторым незначительным вкладом в колебания спроса.

Для газового сегмента дело обстоит иначе. Принимая во внимание количество генераторов разных типов, мы ожидаем, что η будет 0,51. Фактический КПД по национальным данным CBS составляет ≈ 0,394, т.е. примерно на 12% меньше. Это нельзя объяснить только ремонтом и обслуживанием.Здесь мы видим влияние линейного изменения: снижение и увеличение производства, а также многократных остановок и запусков, чтобы справиться с колебаниями спроса и предложения за счет увеличения нерегулярного производства, такого как ветроэнергетика.

В предыдущих обсуждениях с ответственным министром нам сказали, что эти изменения не повлияют отрицательно на эффективность более чем на 1 или 2%. Фактические данные показывают, что эти эффекты имеют гораздо большее влияние.

Остановки и пуски, а также крутые подъемы / спады влияют на КПД более чем на 2%.Возникает вопрос, каково на самом деле влияние ветровой электроэнергии и насколько оно влияет на потребление ископаемого топлива?

Экономия ископаемого топлива за счет возобновляемых источников энергии

Чтобы вычислить эффективность, с которой электричество, произведенное с помощью возобновляемых источников энергии, позволяет сэкономить ископаемое топливо, запишем национальное производство E (t) как сумму его компонентов:

где: i = f ( f ossil-fuel произведено электричество), n ( n uclear ibid), r ( r enewables ibid), o ( o ther energy carrier ibid).

Из данных CBS мы выводим тенденции за период 1998-2010 гг .:

E _f (t) = 0,1547 × год — 299,99 (рис.3)
E _n (t) = 0,0023 × год — 4,1561 (рис.10 ниже)
E _r (t) = 0,0907 × год — 180,5 (рис.4)
E _o (t) = 0,0042 × год — 8,11 (рис.11 ниже)
E (t ) = 0,252 × год — 493,49 (рис. 12 ниже)

Год = 1998, 1999,…, 2010.
Единица энергии = ГВтй.

NB. Добавление четырех компонентов приведет к:

E (t) = 0,2519 × год — 492,7561

Разница из-за округления и не видна на графике.

Производство электроэнергии растет (dE (t) / dt). Годовой прирост ΔE = 0,252 ГВтy.

ΔE = ∑ ΔE _i
ΔE _f = 0,155 GWy
ΔE _n = 0,002 GWy
ΔE _r = 0,091 GWy
ΔE _o = 0,004 GWy

Чтобы реализовать такой же рост без использования возобновляемых источников энергии, вклад ископаемых должен увеличиться: ΔE ′ _f = 0,155 + 0,091 = 0,246 ГВт-лет. Дополнительная экономия ископаемого топлива за счет возобновляемых источников энергии достигается за счет 0,091 ГВт электроэнергии.Если бы это было 100% эффективным, мы бы увидели экономию калорий, равную 0,091 / η _{e, f} (t). Данные CBS позволяют рассчитать η _{e, f} :

η _{e, f} (t) = 0,0019 × Yr — 3,425 (рис.5)

дает: η _{e, f} (2010) = 0,394. В результате эта экономия топлива будет эквивалентна его калорийности: 0,091 / 0,394 = 0,231 ГВт · год.

Данные CBS также позволяют нам подсчитать, что на самом деле делает этот вклад. Потребление ископаемого топлива, I _f (т), входит в число предоставленных Statline данных:

I _f (t) = 0,2774 × Yr — 529,23 GWy (рис.13 ниже)

Это означает, что в настоящее время системе требуется ежегодное приращение условного топлива до:

ΔI _f (2010) = 0,2774 ГВт · год.

При тех же обстоятельствах для увеличения выработки электроэнергии из ископаемого топлива на 0,246 ГВт вместо 0,155 ГВт потребовалось бы:

ΔI _f ′ (2010) = 0,246 × 0,277 / 0,155 = 0,440 ГВт · год

, что на 0,440 — 0,277 = 0,173 ГВт-лет больше, чем в настоящее время.

Таким образом, 0,091 ГВт-год возобновляемой электроэнергии, произведенной постепенно, экономит не 0,231 ГВт, а 0,173 ГВт-год, что означает 0,173 / 0,231 = 75% эффективности.

Обратите внимание: применимость дифференциального подхода ко всем разработкам основана на данных. Все, кроме общей емкости и изменения импорта / экспорта (не показаны), могут быть представлены линейными трендами. Два исключения в расчетах не использовались. До 1998 года возобновляемые источники энергии практически не использовались.

Экономия ископаемого топлива за счет энергии ветра

Производство электроэнергии из других возобновляемых источников энергии, помимо ветра и биомассы, незначительно. Фотоэлектрическая солнечная энергия — еще один непостоянный источник, который может повлиять на обычное обычное производство — составляет <0,5% от всего возобновляемого производства. Hydro составляет около 1% и не считается источником беспокойства.

Таким образом, в настоящее время мы имеем дело только с ветром и биомассой, которые в настоящее время дают 0,49 ГВт и 0,73 ГВт, соответственно.

Биомасса. По очевидным причинам мы не исследовали достоинства и проблемы электричества, производимого из биомассы, так тщательно, как это сделали с ветром. Мы предполагаем, что преобразование жидкого или газового топлива, полученного из биоматериалов, в электричество аналогично преобразованию ископаемого топлива. Если и существует какая-то проблема, так это с процессом превращения биомассы в это топливо, т.е.е. проблема, предшествующая собственно производству электроэнергии. Нет проблем со случайными колебаниями подачи электроэнергии. Биотопливо можно хранить. Генераторное оборудование тоже такое же.

Если у биомассы действительно есть проблемы, то это проблемы, возникающие до того, как из нее будет превращено топливо. Их не видно в статистике Statline по электричеству. Можно подумать о затратах, а также затратах на энергию, связанных со сбором биоотходов, производством энергоемких культур, удобрений, сбором урожая и т. Д.Есть и другие соображения относительно конкуренции с производством продуктов питания, приобретения почвы для их выращивания и так далее. Мы изучили содержание недавней лекции о биотопливе Х.О. Вурма, в котором он описывает возможности и трудности производства достаточного количества биомассы для энергетических целей (19). Мы понимаем, что необходимо решить ряд технологических трудностей, прежде чем можно будет рассчитывать на биомассу в количестве, достаточном для удовлетворения наших энергетических потребностей. Мы бы добавили, что необходимо, как и в случае с другими возобновляемыми источниками энергии, заранее провести тщательные энергетические исследования всей цепочки, прежде чем мы решим применять биомассу в больших масштабах. Если нет, мы не можем исключить, что то, что предлагается в качестве решения, окажется дорогостоящим обманом, требующим больше энергии, чем оно дает.

Для настоящего исследования это не имеет значения. Биотопливо доступно в небольших количествах и может использоваться обычным способом для производства электроэнергии. Помимо экономических вопросов, таких как затраты, это вопрос простой и надежной работы, основанной на известных технологиях. Поэтому мы предполагаем, что производство электроэнергии на основе биологических источников не отличается от производства электроэнергии из ископаемого топлива.Т.е. производство в соответствии со спросом. Это очень важное соображение, поскольку оно подразумевает, что добавление биоэлектроэнергии в сеть не ухудшает работу и эффективность других устройств.

Таким образом, снижение эффективности при добавлении возобновляемой электроэнергии в сеть, , которое мы рассчитали в предыдущем разделе, не может быть отнесено к биоэлектроэнергии. Это должно быть исключительно из-за прерывистого характера ветровой энергии (6).

Доля (тренд) ветровой электроэнергии составляет 0,492 ГВт-лет, биомассы: 0,732 ГВт-лет в 2010 году.Вместе это составляет 1224 ГВт. 75% этой суммы фактически экономят ископаемое топливо. Это снижает экономию электроэнергии, произведенной из ископаемого топлива, до 0,75 × 1,224 = 0,918 ГВт. Предполагается, что добавление биоэлектроэнергии будет эффективным на 100%. Это оставляет на ветер: 0,918 — 0,732 = 0,186 ГВт · год экономии электроэнергии. Это следует сравнить с фактическими 0,492 ГВт-г, подаваемыми в сеть ветровыми электростанциями. Это приводит к выводу:

Ветровая электроэнергия. Однако есть еще одна загвоздка, которая не отображается в статистике Statline. Строительство ветряных турбин, их установка, адаптация к сети и подключение требуют значительных затрат энергии. Некоторые думают, что эти затраты не следует принимать во внимание, потому что это не делается и для обычных заводов. Это ошибочно. Обычные электростанции устанавливаются для производства электроэнергии в соответствии с требованиями общества. Ветряных турбин нет.Они добавляются в систему для экономии топлива и уменьшения выбросов CO
₂ . Поэтому вопрос о том, действительно ли это так, становится существенным. В противном случае они были бы лишь лишними дополнениями к инвестиционным и другим затратам на систему.

Вопрос о стоимости энергии, связанной с ветроэнергетикой, — еще одна тема, по которой ведутся большие споры. Рекламный ролик о ветровой электроэнергии заставит нас поверить в то, что ветряная турбина окупает инвестиции в энергию примерно за полгода производства.Это противоречит нашим выводам. Согласно исследованию, проведенному одним из основных подрядчиков, устанавливающих ветряные турбины в Нидерландах и за рубежом, требуется около 1,5 года, чтобы окупить эти инвестиции в энергию (20). Более позднее австралийское исследование, проанализированное Ф. Удо, показывает, что период окупаемости составляет 2,8 года (21) (!). (В это исследование были включены затраты на электроэнергию на адаптацию береговой сети. В прибрежной зоне требуется больше энергии. С другой стороны, расстояния в Австралии больше, чем в Нидерландах.)

Давайте рассмотрим дополнительные инвестиции в сеть в Нидерландах.Подключение ветряных электростанций к сети с точки зрения денег почти так же дорого, как строительство и установка самих турбин. Это касается береговых и морских систем вместе взятых. Кроме того, необходимо укрепить саму сетку. По последним оценкам, в Германии необходимо проложить дополнительные 4000 км высоковольтных линий для ветроэнергетики. Проблема перепроизводства при достаточном ветре и необходимость импортировать электроэнергию при дефиците требуют подключения регионов.Нидерланды с этой целью недавно проложили два подводных кабеля: один в Норвегию и один в Великобританию. Объединив все эти корректировки, мы пришли к выводу, что 1,5-летний период окупаемости должен быть как минимум удвоен.

Продолжается еще один спор об ожидаемом сроке службы ветряных турбин и их дополнений. Срок службы двигателей ветроустановок — 25 лет. Но опыт Нидерландов показывает, что ветровые разработки уже приходилось возобновлять после всего лишь 12 лет эксплуатации. Шарман сообщил, что полезный срок службы ветряных турбин в Дании составляет от 10 до 15 лет (11).

Таким образом, мы заключаем, что инвестиции в энергию следует дисконтировать в течение 15 лет полезного срока службы. Общее «время окупаемости» ветровой разработки составляет 3 года. Объединение этих цифр означает, что чистая сумма экономии ископаемого топлива для производства электроэнергии должна быть сокращена на 20% от валового производства ветровой электроэнергии.

Заключение и прогноз

Суммируя все вышесказанное, можно сделать вывод, что в нынешних условиях в Нидерландах ветровая мощность «паспортной» мощности в 100 МВт (мегаватт) дает в среднем 23 МВт из-за фактора мощности.4,6 МВт (20%) из этого следует вычесть из конечного чистого результата из-за первоначальных инвестиций в энергию. Из фактических показателей производства Statline мы знаем, что 38% из этих 23 МВт = 8,74 МВт представляют собой фактическую экономию на ископаемом топливе и CO ₂ . Но из этой цифры нужно вычесть количество энергии, вложенной в строительные работы: 4,6 МВт. Таким образом, чистая экономия электроэнергии на электроэнергии , обеспечиваемой нашими ветряными двигателями, составляет 8,74 — 4,6 = 4,14 МВт в среднем за год.Эта составляет ~ 4% от установленной мощности. Это превращает ветроэнергетику в огромную денежную яму, практически лишенную заслуг с точки зрения намеченной цели сокращения выбросов CO ₂ или экономии ископаемого топлива.

Что будет дальше? Текущий план заключается в увеличении ветровой мощности до 8 ГВт на суше и до 4 ГВт на суше. В настоящее время мощность ветровой энергии составляет около 15% от внутреннего потребления электроэнергии . Если мощность превышает 20%, мы вступаем в новую фазу, в которой наступает сокращение: будут периоды, когда сеть просто не сможет поглотить поставку.Такая ситуация уже существует в Дании и Ирландии. Тогда мы увидим дальнейшее резкое снижение топливозамещающей эффективности. В предыдущем исследовании (6) мы использовали модель, в которой наиболее благоприятным сценарием было проникновение ветра в 20%. Мы обнаружили, что в этом случае экономия уже была отрицательной, что означает, что развитие ветра фактически привело к увеличению потребления ископаемого топлива. Настоящее исследование, основанное на реальных данных, показывает, что мы на пути к достижению этой стадии.

Nieuwegein,
15 августа 2012 г.
оригинал: www.clepair.net/statlineanalyse201208.html
Nederlandse origineel (pdf): Brandstofbesparing door windmolens bij de Nederlandse elektriciteits-voorziening.

Примечания и ссылки

1. Эта статья представляет собой сокращенную версию отчета на голландском языке «Brandstofbesparing bij de Nederlandse elektriciteitsvoorziening», направленного правительству и парламенту Нидерландов в августе 2012 года. Части, обычно хорошо известные инсайдерам, не упоминались.

2. К. Ле Пара и К. де Гроот: Влияние электричества, вырабатываемого ветром, на потребление ископаемого топлива. http://www.clepair.net/windefficiency.html

3. K. de Groot & C. le Pair: Скрытые расходы на топливо для ветроэнергетики; Spil 263-264 (2009) № 5, 15/17 и http://www.clepair.net/windsecret.html

4. Ф. Удо, К. де Гроот и К. ле Пара: Ветряные турбины как источник электричества; http://www.clepair.net/windstroom%20e.html

5. Ф. Удо: энергия ветра в энергосистеме Ирландии; http://www.clepair.net/IerlandUdo.html

6. C. le pair: Электричество в Нидерландах; Ветровые турбины увеличивают потребление ископаемого топлива и выбросы CO ₂ ; http://www.clepair.net/windSchiphol.html

7. F. Udo: энергия ветра и выбросы CO ₂ — 2; http://www.clepair.net/Udo-okt-e.html

8. К. ле Пара, Ф. Удо и К. де Гроот: ветряные турбины пока не подходят для использования в качестве поставщиков электроэнергии;
   Europhysicsnews 43 (2012) №2, стр. 22/5 и http://www.clepair.net/europhysics201203.html.

9. Ф. Удо: сокращение энергосистемы Ирландии; http://www.clepair.net/Udo-curtail201205.html

10. W. Post, много статей о коллективе энергии; http://theenergycollective.com/index.php?q=willem-post/64492/wind-energy-reduces-co2-emissions-few-percent

11. Х. Шарман: энергия ветра на примере Дании; http://www.CEPOS.dk; скачать: http://www.cepos.dk/fileadmin/user_upload/Arkiv/PDF/Wind_energy_-_the_case_of_Denmark.pdf

12. П.Ф. Баха (на его сайте): http://pfbach.dk

13. БЕНТЭК: Как меньше стало больше. Ветер, энергия и непредвиденные последствия на энергетическом рынке Колорадо, 2010 г. http://www.bentekenergy.com

14. CBS, Statline: http://statline.cbs.nl/StatWeb/dome/default.aspx

15. 1 ГВт = 1000000 × 24 × 365 кВтч. 1 кВтч = 1000 × 3600 Дж. Дж = Джоуль. 1 ТДж = 10 ¹² Дж

16. Дейкема Г., З.Lukszo, A. Verkooijen, L. de Vries, M. Weijnen: De regelbaarheid van elektrische centrales; een quickscan i.o.v. het Ministerie van Economische zaken, 20 апреля 2009 г.

17. http://www.energietech.info/groengas/theorie/gasmotoren.htm

18. Priv. комм. Борсселе.

19. H.O. Voorma: Biobrandstoffen, лекция Zeist, 2012 04 18. Prof. (em) dr. Воорма, биохимик, бывший ректор Магнификус Утрехтского университета

20. (2), примечание 13.

21. Ленцен, М .: Энергия жизненного цикла и выбросы парниковых газов ядерной энергетики: обзор; п. 137 сл. & Преобразование энергии и управление ею 49 (2008) 2178-2199, загрузить: http://www.isa.org.usyd.edu.au/. См. Также http://bravenewclimate.com/2009/10/18/tcase4/.

авиалайнер — Почему реактивные двигатели получают более высокую топливную экономичность на больших высотах?

Для быстрого объяснения вам необходимо знать, что

• Тяга — это разница между входным импульсом воздуха, поступающего в двигатель, и выходным импульсом нагретой топливно-воздушной смеси, покидающей двигатель.Импульс равен массе, умноженной на скорость, и выражается через массовый расход $ \ dot m $, тяга T равна $$ T = \ dot m \ cdot (v_ {exit} — v_ {entry}) $$
• Выходной импульс увеличивается за счет ускорения воздушного потока, проходящего через двигатель, и ускорение достигается за счет нагрева воздуха.
• Каждый грамм топлива нагревает заданную массу воздуха на определенное число градусов по Цельсию. Энергетическая ценность топлива определяется как способность нагреть один фунт воды на один градус по Фаренгейту. Определение одной калории аналогично, но в метрических единицах.Поскольку теплоемкость воды и воздуха почти постоянна при умеренных температурах, начальная температура мало влияет на абсолютное повышение температуры при добавлении заданного количества энергии.

Тепловой КПД

Термический КПД — это соотношение между механической работой, извлекаемой в виде тяги, и тепловой энергией, затрачиваемой на нагрев воздуха, и на него косвенно влияет высота полета. См. Статью в Википедии о цикле Карно.Этот и аналогичные циклы описывают работу всех двигателей внутреннего сгорания в термодинамических терминах. По сути, это говорит о том, что эффективность двигателя внутреннего сгорания не может быть больше, чем соотношение температур между повышением температуры от окружающей ($ t_ {amb} $) до максимальной температуры $ t_ {max} $ процесса, деленное на максимальное температура. Все температуры должны быть выражены как общие температуры, где 0 ° означает 0 K или -273,15 ° C. Работа в более холодном воздухе увеличивает соотношение и повышает эффективность.$$ \ eta_t = \ frac {t_ {max} — t_ {amb}} {t_ {max}} $$

Если $ t_ {amb} $ составляет 290 K (16,85 ° C или 62 ° F), а топливо нагревает воздух до 1400 K (2060 ° F), тепловой КПД согласно приведенной выше формуле составляет 79,3%.

На крейсерской высоте $ t_ {amb} $ составляет всего 220 K (-53,15 ° C или -63,7 ° F), и тот же расход топлива относительно воздушного потока поднимет максимальную температуру только до 1320 K (в действительности даже меньше; для более точных рассуждений см. ниже). Теперь тепловой КПД составляет 83,33%! Если поддерживать максимальную температуру, повышается и тяга, и термический КПД; последний к 84.3%.

На самом деле, общий КПД будет ниже, потому что мы не включили тяговый КПД, эффекты трения или отбор мощности отбираемым воздухом, насосами и генераторами. Пропульсивная эффективность описывает, насколько хорошо выполняется ускорение воздуха.

Подогрев топливно-воздушной смеси

Сжигание топливно-воздушной смеси добавит к ней тепловой энергии, примерно 43 МДж на каждый килограмм керосина (если предположить полное сгорание). Изобарная теплоемкость или удельная теплоемкость воздуха (достаточно близко, в смеси очень мало топлива, но много воздуха) составляет 29 Дж на моль и на К, так что эти 43 МДж нагреют 1000 моль воздуха на 1483 К.Теплоемкость незначительно изменяется в зависимости от влажности и температуры, но достаточно мало, чтобы мы могли считать ее постоянной для этой цели. Если температура воздуха начинается с 220 K, предварительное сжатие на входе нагревает его до прим. 232 К, дальнейшее сжатие в двигателе нагреет его до прим. 600 К, если принять степень сжатия 25, а это температура на входе в камеру сгорания.

Эти 1000 моль воздуха весят около 29 кг, и добавление полного килограмма топлива и сжигание смеси нагреют ее до 2083 К.Если вам нужны более подробные сведения о параметрах типичного реактивного двигателя, см. Диаграмму в этом ответе. Поскольку смесь набирает скорость по мере сгорания, масса топлива также нагревается и сгорание никогда не завершается, максимальная температура, указанная здесь, не будет достигнута в действительности.

Если мы начнем с земли с температурой воздуха 290 K, температура на впуске немного упадет, потому что мы не будем лететь достаточно быстро, чтобы во впускном канале произошло какое-либо предварительное сжатие.Теперь компрессор нагревает воздух до 730 К, а снова добавляя и сжигая этот килограмм керосина, вы нагреете 1000 моль воздуха до 2213 К. В идеале.

На самом деле система управления двигателем будет следить за тем, чтобы предельные температуры не были превышены, но здесь мы можем играть с числами как угодно. Точные значения, конечно, будут немного отличаться (больший нагрев от трения в компрессоре, потеря тепла наружу, небольшой дрейф удельной теплоемкости с температурой), но суть объяснения верна.

Объяснение неспециалистами

Горение топливно-воздушной смеси нагревает ее и заставляет газ расширяться. Это происходит при почти постоянном давлении и в ограниченном объеме, поэтому единственный способ освободить место для этого расширения — это ускорить течение газа. Почти постоянное давление означает, что плотность газа должна уменьшаться. Соотношение плотностей нагретого и несгоревшего газа пропорционально его температурному соотношению , измеренному в абсолютной температуре.

Однако количество сожженного топлива определяет абсолютное увеличение температуры на на , разность на градусов между сгоревшим газом внутри камеры сгорания и несгоревшим газом на впуске.Для данного количества топлива температурное отношение , которое может быть достигнуто при абсолютном повышении температуры, становится тем меньше, чем выше температура несгоревшего газа. Таким образом, эффективность снижается с повышением температуры всасываемого воздуха.