Возможности термоградиентной энергии восходящих газовых потоков в энергообеспечении локальных объектов

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ»
Выпуск 2, март – апрель 2014
Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

Институт Государственного управления, 

права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

1

http://naukovedenie.ru 20TVN214

УДК 620.92

Макаров Иван Владимирович

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Россия, Самара1

Ассистент кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

E-Mail: m-24@bk.ru

Трубицын Константин Викторович

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Россия, Самара

Старший преподаватель кафедры «Управление и системный анализ в теплоэнергетике»

E-Mail: tef-samgtu@yandex.ru

Возможности термоградиентной энергии восходящих 

газовых потоков в энергообеспечении локальных объектов

Аннотация:
В статье рассмотрена возможность применения термоградиентной

энергии восходящих газовых потоков, занимающей особое место среди возобновляемых 
источников энергии. Показана перспективность использования термоградиентной энергии 
воздушных масс, главным преимуществом которых является применение в качестве рабочего 
тела атмосферного воздуха. Перспективность использования термоградиентной энергии 
газовых потоков авторы видят в использовании энергии вертикальных перемещающихся 
потоков воздуха и других газообразных сред. Помимо вертикальных потоков авторами 
рассматриваются и горизонтальные потоки, при одновременном воздействии которых их 
эффект складывается. Источником получения электрической энергии в результате 
преобразования энергии ветра служит ветроэнергетическая установка (ВЭУ). В качестве 
опытной ВЭУ выбрана трехлопастная ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью 
вращения. Вырабатываемая электрическая энергия может использоваться на аварийное 
освещение производственных помещений, лестничных площадок, зарядку аккумуляторов и 
другие нужды. Доказано, что в зимний период удельная мощность, развиваемая восходящим 
потоком, превышает почти в два раза удельную мощность летнего периода. Кроме того, 
авторы пришли к выводу, что полная энергия генерирующей установки будет зависеть от 
конструкции ротора и суммарной площади ометаемых лопастей.

Ключевые слова: Энергия; энергия ветра; термоградиентная энергия; восходящие 

газовые 
потоки;
ветроэнергетическая 
установка;
энергетическая 
эффективность;

энергосбережение.

Идентификационный номер статьи в журнале 20TVN214

1 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ»
Выпуск 2, март – апрель 2014
Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

Институт Государственного управления, 

права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

2

http://naukovedenie.ru 20TVN214

Наиболее перспективным направлением развития энергосберегающей политики в РФ 

может стать использование термоградиентной энергии, в частности, энергии вертикальных 
перемещающихся потоков воздуха и газообразных сред.

Среди возобновляемых источников энергии особое место занимает термоградиентная 

энергия, проявляющаяся в двух фазовых состояниях:

•
термоградиентная энергия водных пространств (водоёмов, морей, океанов);

•
термоградиентная энергия воздушной атмосферы.

В обоих случаях атмосфера Земли и её водные пространства аккумулируют энергию 

солнца, причём прогрев воздушных и водных масс происходит неравномерно, приводя к 
появлению температурных градиентов как по толщине слоёв, так и вдоль слоёв воды.

Наибольший интерес проявляется к термальной энергии океанов, так как её запасы 

очень велики, однако преобразование этой энергии в электрическую представляет 
технические сложности и требует значительных капитальных затрат, а удалённость 
генерирующих станций от потребителя добавляет дополнительные расходы.

Другое дело – термоградиентная энергия воздушных масс, главное преимущество 

которой состоит в том, что рабочим телом является воздух атмосферы Земли.

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую происходит с помощью 

ветроэнергетических установок (ВЭУ). В настоящее время в мире и в России наибольшее 
распространение получили трёхлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав 
которых входят следующие основные компоненты: рабочее колесо 1, гондола с редуктором 2
и генератором, башня 3 и фундамент 4 (рис. 1).

В качестве основания используется устройство, называемое башней, в виде трубы или 

решетки. На ней размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное 
оборудование, в том числе и ротор с лопастями для преобразования энергии движущегося 
воздушного потока в энергию вращения вала для привода генератора [5].

Рис. 1. Трехлопастная ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью вращения

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ»
Выпуск 2, март – апрель 2014
Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

Институт Государственного управления, 

права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

3

http://naukovedenie.ru 20TVN214

Стремление увеличить мощность установки приводит к увеличению длин лопастей 

ротора, а, следовательно, и высоты башни, при этом мощность может быть определена по 
формуле [3]:

,

где 
- плотность воздуха, 
;

- средняя скорость потока, 
;

F - площадь поперечного сечения, отметаемого потоком, 
.

Следует заметить, что эта величина является условной характеристикой.

Таким образом, площадь поперечного сечения, через которую проходит воздушный 

поток, не является активной поверхностью, воспринимающей кинетическое воздействие 
воздушного потока. Развитие активной поверхности потребует увеличения длины лопасти, 
следовательно, высоты башни, на которой установлен ротор, увеличения числа лопастей, что 
приведёт к удорожанию установки, усилению фундамента и снижению её надёжности.

Наиболее перспективным направлением развития энергосберегающей политики в 

России может стать использование термоградиентной энергии, в частности, энергии 
вертикальных перемещающихся потоков воздуха и других газообразных сред.

При изменении атмосферного давления в приземном слое в двух удаленных друг от 

друга точках происходит переток воздуха из области повышенного давления в область более 
низкого давления. Этот переток воздушных масс осуществляется за счет ветра – явления, 
обусловленного тепловым взаимодействием поверхности Земли с атмосферой и окружающим 
космическим пространством.

В первом приближении это перемещение можно считать продольным, так как оно 

осуществляется вдоль поверхности Земли.

С другой стороны, по высоте воздушного слоя, окружающего поверхность Земли, 

наблюдается неравномерное распределение температуры, которое может быть вызвано как 
природными явлениями, так и техногенной деятельностью человечества. Твердая поверхность 
Земли нагревается за счет излучения солнца и часть полученной теплоты отражается в 
окружающее пространство, где либо рассеивается, либо поглощается трехатомными газами –
углекислотой (СО2), водяными парами.

Водная поверхность Земли (океаны, моря, реки, озера) при воздействии солнечного 

излучения обеспечивает испарение воды с поверхности водоёмов. Водяные пары имеют более 

низкую плотность, чем окружающий сухой воздух (
), что обеспечивает 

появление восходящих и нисходящих потоков воздушных масс. Вертикальные перемещения 
воздушных масс происходят также вследствие прогрева приземного слоя от твердой 
поверхности Земли.

Вертикальное перемещение воздушных масс усиливается техногенной деятельностью 

человечества – технологические процессы нагрева и охлаждения материалов, вентиляция 
помещений при температуре удаляемой среды, отличной от окружающего пространства, 
выброса дымовых газов, технологическими установками, печами, энергетическими и 

F
N
3
5
,0



3
м

кг


с
м

2
м

3
/
293
,1
нм
кг
в


Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ»
Выпуск 2, март – апрель 2014
Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

Институт Государственного управления, 

права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

4

http://naukovedenie.ru 20TVN214

промышленными котлами, транспортом, работающим на органическом топливе и др. 
Организованный отвод газов от технологических установок осуществляется по каналам, 
образованными твердыми оболочками – трубами. За счет разности плотностей воздуха вверху 
трубы и внизу в вертикальных каналах возникает движение газов. Возникающая тяга зависит 
от высоты трубы, температуры среды в трубе и температуры окружающего воздуха на 
верхнем срезе трубы. Скорости вертикального восходящего потока могут быть весьма 
значительными, особенно при искусственной тяге. Это делает целесообразным использование 
энергии восходящих потоков, повышая общую энергоэффективность установок [1].

При использовании вентиляционных каналов зданий и размещения установки на 

крыше здания отпадает необходимость в «башне». При движении восходящего потока в 
канале создаётся динамическое давление на активную поверхность лопастей ротора, что 
приводит к сложению подъемной силы и силы горизонтального потока (ветра).

При искусственной тяге дымовой трубы скорость на выходе из трубы принимается 

равной 10-20 м/с. При естественной тяге расчётная скорость выбирается в пределах 6-10 м/с 
(не менее 3 м/с) [4].

При одновременном воздействии горизонтального и восходящего потока их эффект 

складывается, приводя во вращение электрогенератор. При отсутствии ветра установка может 
работать за счет восходящих потоков – самотяги, или искусственного созданного побуждения 
вертикального перемещения воздушных масс.

Вырабатываемая электроэнергия может использоваться на аварийное освещение 

производственных помещений, лестничных площадок, зарядку аккумуляторов и другие 
нужды.

Разрежение, создаваемое дымовой трубой, зависит от высоты трубы, средней 

температуры уходящих газов и температуры окружающей среды. На рис. 2 представлен 
расчёт создаваемого разрежения дымовой трубой высотой H = 30 м для летних и зимних 
условий для типичных температур уходящих дымовых газов от котлов, работающих на 
газовом топливе.

Рис. 2. Зависимость тяги трубы (h) от времени года (Hтр = 30 м)

и температуры уходящих продуктов сгорания природного газа

(1 – зима (t = -30ºC); 2 – лето (t = +30ºС))

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ»
Выпуск 2, март – апрель 2014
Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

Институт Государственного управления, 

права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

5

http://naukovedenie.ru 20TVN214

Пренебрегая потерями энергии на трение при движении продуктов сгорания в трубе, 

получим зависимость удельной мощности, развиваемой ротором, для зимних и летних 
условий (табл. 1).

Таблица 1

Лето
Зима

,ºС
,ºС
, 

кг/м³

,м/с
Nуд, 
Вт/м²
,ºС
,ºС
, 

кг/м³

,м/с
Nуд, 
Вт/м²

+27

110
0,877
11,75
711

-30

110
0,877
16,32
1906

150
0,794
14,08
1093
150
0,794
18,17
2596

175
0,749
15,28
1336
175
0,749
19,42
2742

Расчёты показывают, что в зимний период удельная мощность, развиваемая 

восходящим потоком, превышает почти в два раза удельную мощность летнего периода.

Как видно из таблицы 1 удельная мощность зависит только от атмосферных условий и 

плотности восходящего потока.

На рис. 3 показано изменение удельной мощности установки в диапазоне

экономически обоснованных изменений скоростей набегающего потока.

Таким образом, полная энергия генерирующей установки будет зависеть от 

конструкции ротора и суммарной площади ометаемых лопастей.

Рис. 3. Зависимость удельной мощности установки от скорости восходящего потока

вt
ух
t


вt
ух
t



Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ»
Выпуск 2, март – апрель 2014
Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

Институт Государственного управления, 

права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

6

http://naukovedenie.ru 20TVN214

Необходимо отметить, что, благодаря специально созданной аэротермоэнергетической 

установке, возможно использование всех преимуществ термоградиентной энергии. На 
изобретение получен патент.

На основании исследований получены следующие выводы:

1.
Применение роторов пространственной конструкции позволяет использовать 

суммарное воздействие горизонтальных воздушных потоков (ветра) и воздушных 
(газовоздушных) потоков для получения электроэнергии.

2.
Комбинированное воздействие потоков может обеспечить работу генератора 

даже в безветренную погоду.

3.
Использование восходящих нагретых потоков от котлов и технологических 

установок позволит рекуперировать часть теряемой безвозвратно энергии.

4.
Возможность использования низкопотенциальных восходящих потоков от 

разогретых поверхностей земли, влажного воздуха от водоёмов.

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ»
Выпуск 2, март – апрель 2014
Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

Институт Государственного управления, 

права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

7

http://naukovedenie.ru 20TVN214

ЛИТЕРАТУРА

1.
Макаров И.В., Щелоков А.И. Повышение энергетической эффективности 
топливопотребляющих установок за счёт термоградиентной энергии // 
Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. – Саратов: Саратовский 
гос. техн. ун-т, 2012.

2.
Патент РФ № 2452870: Аэротермоэнергетическая установка / Щёлоков А.И., 
Макаров И.В., Лобачёв И.А.

3.
П.П. Безруких. Ветроэнергетика (Справочное и методическое пособие). М., 
2010. – 320 с.

4.
Теплотехнический справочник. Т. 1. – М.: Госэнергоиздат, 1957. – 728 с.

5.
Трубицын К.В., Соляр А.Б., Голубев С.С. Об эффективности использования 
ветроэнергетических 
установок 
в 
Самарской 
области 
// 
Энергои 

ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые 
источники энергии: сб. мат-в Всерос. студ. олимпиады, научно-практ. 
конференции и выставки работ студентов, асп-в и молодых ученых. –
Екатеринбург: Уральский федеральный ун-т, 2012.

6.
Основы современной энергетики, часть 2, М.. Издательство МЭИ, 2003г – 450с.

7.
Автономные теплоэнергетические комплексы, РАН, Южный Центр.- Ростов на 
Дону; 2004 г.

8.
Гребенщиков В. Р. Ветроэнергетика: новые перспективы, Аква-Терм, 2002, 
стр.36-39.

9.
Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических 
компаний / Под общей редакцией гл. корр. РАН Е.В. Аметистова – часть 2 – М: 
Издательство МЭИ, 2003 – 454с., ил.

10.
Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы. Справочник / Под общ. ред. 
В.А. Григорьева и В.М. Зорина. – М.: Энергия, 1980. – 528 с.

Рецензент: Щелоков Анатолий Иванович, доктор технических наук, профессор, 

заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика» Самарского государственного 
технического университета, Заслуженный энергетик России.

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ»
Выпуск 2, март – апрель 2014
Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

Институт Государственного управления, 

права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

8

http://naukovedenie.ru 20TVN214

Konstantin Trubitsyn

Samara State Technical University

Russia, Samara

E-Mail: tef-samgtu@yandex.ru

Ivan Makarov

Samara State Technical University

Russia, Samara

E-Mail: m-24@bk.ru

Thermal-gradient energy of upward-flowing gases in power 

supply of local objects

Abstract: This article describes an approach for using thermal-gradient energy of upward
flowing gases as the most effective tendency in Russian energy efficient policy, shows the prospects 
of using temperature gradient energy of air masses, which main advantage is using fluid air. 
Prospects of using thermal-gradient energy of gas flows in energy use of vertical moving air streams 
and other gases as author’s opinion. In addition to vertical flow authors reviewed and horizontal 
flows, while the impact of their effects stacks. Source of electrical energy from the conversion of 
wind energy is the wind power plant. As an experimental wind turbine selected lobed wind power 
plant with a horizontal axis of rotation. The generated electrical energy can be used on an emergency
light of industrial buildings, staircases, battery charging and other needs. Proved that in winter the 
specific power developed riser exceeds almost twice the power density summertime. Moreover, the 
authors concluded that the total energy generating by installation will depend upon the construction 
of the rotor and the total area swept by the blades.

Keywords: Thermal-gradient energy; power supply; energy saving; energy efficiency; wind 

power.

Identification number of article 20TVN214

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ»
Выпуск 2, март – апрель 2014
Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru

Институт Государственного управления, 

права и инновационных технологий (ИГУПИТ)
Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

9

http://naukovedenie.ru 20TVN214

REFERENCES

1.
Makarov 
I.V., 
Shchelokov 
A.I. 
Increase 
of 
power 
efficiency 
of 

toplivopotreblyayushchy 
installations 
at 
the 
expense 
of 
termogradiyentny 

energy//Problems power - and a resursosberezheniye: сб. науч. тр. - Saratov: The 
Saratov state. техн. un-t, 2012.

2.
Patent Russian Federation No. 2452870: Aero thermopower Installation / 
Shchyolokov A.I., Makarov I.V., Lobachyov I.A.

3.
P.P.Armless. Vetroenergetika (A help and methodical grant). M, 2010. - 320 pages.

4.
Heattechnical directory. T. 1. - M: Gosenergoizdat, 1957. - 728 pages.

5.
Trubitsyn K.V., Solyar A.B., Golubev S. S. About efficiency of use of 
vetroenergetichesky 
installations 
in 
the 
Samara 
region//Power 
and 
a 

resursosberezheniye. Power supply. Nonconventional and renewables: сб. a mat - in 
Vseros. the student. Olympic Games, scientific практ. conferences and exhibitions of 
works of students, asp-in and young scientists. - Yekaterinburg: Ural federal un-t, 
2012.

6.
Bases of modern power, part 2, M. MEI publishing house, 2003г - 450с.

7.
Independent heat power complexes, Russian Academy of Sciences, Southern Center. Rostov on Don; 2004.

8.
Grebenshchikov V. R. Vetroenergetika: new prospects, Akwa Term, 2002, p. 36-39.

9.
Bases of modern power: A course of lectures for managers of the energy companies / 
Under the general edition of hl. the correspondent of the Russian Academy of 
Sciences of E.V.Ametistova - a part 2 - M: MEI publishing house, 2003 - 454с., silt.

10.
Power system and heating engineer: General questions. The directory / Under общ. 
V.A.Grigoriev and V. M. Zorin's edition. - M: Energy, 1980. - 528 pages.