Whirlwind Energy

Это новая технология преобразования энергии ветра в электрическую, которая позволит использовать ветроэнергетические установки (ВЭУ) в регионах со слабыми ветрами и повысить Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), увеличить в 3 и более раз срок службы ВЭУ, снизить шум и низкочастотные вибрации. Эта технология позволит ветроэнергетике превратиться из субсидируемой отрасли в прибыльную составляющую мирового производства электроэнергии. Высокая эффективность технологии подтверждена испытаниями моделей вихревого концентратора воздушного потока с турбиной.

Проведены предварительные исследования новой технологии, подтвердившие эффективность технических решений, основными из которых являются вихревой концентратор воздушного потока и адаптивная турбина.
В концентраторе воздушного потока используется свойства криволинейных поверхностей и линий кривизны, а также свойство потоков сохранять первоначальное направление движения в отсутствие внешних воздействий.

2016 – 2017 Получено оптимальное соотношение высоты концентратора к диаметру рабочей зоны.
2018 Получен Российский патент на «Вихревой концентратор воздушного потока».
2017 – 2019 Разработан проект и сайт проекта.
2019 Получено положительное заключение Международной предварительной экспертизы по Международной заявке на изобретение.
2019 Поданы заявки на изобретение «Адаптивная турбина» в Роспатент и WIPO.
В настоящее время согласована программа исследований модели в аэродинамической трубе в Крыловском государственном научном центре (идет подготовка ТЗ).

Основные рынки - покупатели продукта (ВЭУ) - страны, развивающие ветроэнергетику:
Kитaй; CШA; Гepmaния; Иcпaния; Индия; Итaлия; Фpaнция; Kaнaдa; Бpaзилия; Дaния.
Основные потребители новой технологии (лицензиаты) – это крупнейшие современные производители ветротурбин:
Vestas, Goldwind, Siemens Gamesa, GE Renewable, Envision, Enercon, Mingyang, Nordex Group, United Power, Sewind.
Прирост мощности в ветроэнергетике за 2018 год составил 50.1 ГВт – это общая потенциальная ежегодная емкость рынка. К этому необходимо прибавить мощности, которые вводятся взамен изношенных. Например, примерно столько же (50 ГВт) потребуется заменить в связи с износом в 2021 году только в Европе.

1. Необходимость ориентации на ветер, что делает ветрогенераторы неэффективными при быстро меняющем направление ветре. Вы должны сначала остановить турбину, а затем повернуть гондолу; в противном случае сила Кориолиса может деформировать лопасти;
2. Узкий рабочий диапазон скоростей ветра, высокая скорость запуска и высокая номинальная скорость ветра. Ограничения накладываются номинальным режимом работы генератора и экономикой. Цель в максимальном, а не в стабильном производстве электроэнергии в год, так как только от этого зависит окупаемость ветропарка с коротким сроком службы и высокими накладными расходами, даже если он при этом будет простаивать более 8 месяцев в году. Таким образом, мы получаем средний годовой КИУМ (коэффициент использования установленной мощности) не более 30%. Только в отдельных оффшорных ветропарках, где постоянно сильный ветер, КИУМ достигает 40%;
3. Сложность и дороговизна технического обслуживания (ремонт и замена изношенных деталей ветротурбины) обусловлены расположением оборудования на мачте высотой более 100м;
4. Конструктивные ограничения по устанавливаемой максимальной мощности генератора обусловлены расположением основной массы оборудования на мачте;
5. Низкая рентабельность, обусловленная не только низким КИУМ, но и коротким сроком службы (около 20 лет), что не позволяет достичь окупаемости при низкой прибыли;
6. Большая зона отчуждения вокруг ветропарков не только из-за шума и низкочастотных колебаний, но и из-за разлета на значительные расстояния обломков турбины в случае ее разрушения или льда при обледенении. Это снижает эффективность инвестиций на квадратный метр.

1. Вихревой концентратор, не требующий дополнительных систем ориентации на ветер, обеспечивает движение захваченных воздушных потоков к лопастям турбины по спирали по внешнему краю рабочей зоны. Ширина воздушных потоков (по результатам уже проведенных исследований по проверке концепции) составляет всего 20-25% от радиуса рабочей зоны. Поэтому для полного использования энергии воздушных потоков достаточно, чтобы лопасти имели длину не более 20-25% от радиуса рабочей зоны.
Таким образом, система управления лопастями может полностью или частично выводить лопасти из-под воздействия воздушных потоков.
Это решение позволяет менять конфигурацию ветротурбины из многолопастной, тихоходной (например, 12-ти лопастной) в трех- или даже двухлопастную.
В результате мы получаем многолопастную ветротурбину со страгиванием при скорости ветра до 1 м/с, а с увеличением скорости ветра постепенно преобразуем ее в трех- или даже двухлопастную, сохраняя постоянный крутящий момент на валу ветротурбины в более широком диапазоне скоростей ветра, чем в современных ветроустановках, и обеспечивая более высокие значения КИУМ. Точнее сказать, сохраняя постоянным номинальный крутящий момент на валу электрогенератора. Это важно поскольку залогом стабильной выработки электроэнергии является сохранение крутящего момента на валу равным отношению номинальной мощности к номинальной частоте электрического генератора.
Вихревой концентратор может быть изготовлен из металлоконструкций, обшитых композитными материалами. Например, могут быть использованы материалы лопастей отслуживших свой срок современных ветроустановок, что решит проблему их утилизации.
2. Необходимо отметить, что для данного решения обязательным становится наличие системы автобалансировки для исключения вибраций в процессе изменения конфигурации ветротурбины.
Наличие системы автобалансировки позволит снизить точность изготовления лопастей турбины при серийном производстве, а также позволит не останавливать турбину даже при поломке одной из лопастей. Кроме того, ступица с системой управления лопастями, благодаря своей массе, является маховиком, который обеспечит плавность хода при порывистом ветре и вместе с системой автобалансировки снизит износ подвижных частей ветроустановки.
3. Расположив концентратор на опорах из предварительно напряженного бетона со сроком службы от 50 до 100 лет и более так, чтобы рабочая зона с ветротурбиной располагалась непосредственно на опорах, а генератор, мультипликатор, контрольное и силовое оборудование в основании опор установки, мы сразу решаем проблемы сроков службы и конструкционных ограничений (ограничений по массе и габаритам оборудования, которое можно разместить в гондоле на мачте) современной ветроэнергетики. А с учетом того, что ветротурбина будет окружена несущими конструкциями, мы решаем проблему безопасности и шумопоглощения.
Высота опор для установок более 100 кВт установленной мощности должна составлять не менее 20м (~20-30% от общей высоты) для обеспечения отвода замедленных потоков за турбиной ветром, чтобы предотвратить возникновение подпирающего давления.
4. При такой конструкции полностью раскрывается потенциал концентратора. Линии кривизны ветронапраляющих элементов концентратора, на которых происходит разделение натекающего потока (часть потока направляется внутрь концентратора, а часть отклоняется наружу) наклонены таким образом, что при расположении рабочей зоны с ветротурбиной внизу, площадь захвата воздушных потоков увеличивается с ростом высоты, где ветер сильнее и более постоянный.
Для установок малого класса - до 100 кВт установленной мощности и высотой до 30м., при которой изменение скорости ветра с ростом высоты не существенно, специальные ж/б опоры не нужны - опорой становится сам перевернутый концентратор, установленный непосредственно над генератором, с рабочей зоной и ветротурбиной наверху.
Таким образом, данное решение может применяться не только для промышленного производства электроэнергии, но и, например, для удаленных метеостанций за полярным кругом, обслуживающих Северный морской путь, фермерских хозяйств, зарядных станций для электромобилей и т.д. В перспективе данное решение полностью вытеснит современные ветроустановки, которые условно можно назвать "современными", т.к. принцип работы не изменился с конца XVI века, когда в Нидерландах появились мельницы с горизонтальной осью, в которых только башня поворачивалась навстречу ветру. Если провести аналогию с гидроэлектростанциями, это то же самое, как если бы мы до сих пор не использовали плотины, а просто опускали в реку водяное колесо, и производство электроэнергии полностью зависело бы от уровня воды, который в свою очередь зависел бы от количества осадков или сезона.

В настоящий момент не найдено похожих технических решений ни моей командой, ни поисковыми органами Роспатента.

Идеи носят инновационный характер и не имеют аналогов, при этом они защищены патентами, обйти которые нельзя ввиду малого количества существенных признаков в формулах изобретений.

Ставка роялти по отрасли составляет 3-5%. Планируется использовать ставку не выше 4%.
За единицу продукции принимается стоимость возведения за кВт установленной мощности, умноженную на ставку роялти в % и деленную на 100%. Для современных промышленных ветроустановок эта величина составляет ~900 EUR/kW.
Несмотря на б'ольшую стоимость возведения, планируется оставить значение не выше 36 EUR/kW установленной мощности по первым пятилетним договорам.

Лицензия.
Заключение лицензионных соглашений на 5ть лет с передачей как исключительных так и неисключительных прав и с оплатой как ввиде паушальных платежей, так и роялти.

1. Исследования и патентная защита в национальных патентных ведомствах. 3 месяца 11/2019 – 01/2020.
1.1. Исследования в независимом исследовательском центре в аэродинамической трубе (Этап 1) с четырьмя вариантами концентратора вихревого воздушного потока для определения нагрузки, испытываемой различными элементами модели, для 3D визуализации потока, а также для расчета коэффициента использования энергии ветра в широких диапазонах скоростей и направлений ветра. 4 месяца 11/2019-02/2020, €53,300 (включая стоимость создания модели с четырьмя вариантами концентратора воздушного потока вихревого типа).
1.2. Получение патентов в национальных патентных ведомствах (оплата пошлин). 3 месяца 12/2019-02/2020, включая апостиль и патентного поверенного, минимум € 39,900 (EPO 38 стран €20,000; США €7,000; Китай €5,000; Индия €1,600; Япония €6,300).
2. Проектирование и строительство ветроэнергетической установки. 20 месяцев 02/2020 – 09/2021.
2.1. Проектирование ветроэнергетической установки высотой до 50 м, диаметром рабочей зоны до 22 м, мощностью до 200 кВт, разработка системы управления (технические решения уже существуют), программного обеспечения и конструкторской документации.
2.1.1. Административные и общие расходы-900,000 евро (45,000 евро х 20 месяцев).
2.1.2. Дополнительные исследования в аэродинамической трубе (Этап 2) 3-4 месяца. - до € 180,000.
2.1.3. Специальное программное обеспечение, такое как: NX 11.0.2/12.0.2 (Siemens) + ANSYS Fluent 2019 – до €10,000.
2.2. Строительство ветроэнергетической установки для изучения нагрузок на различные элементы ветроэнергетической установки и ее износа в процессе эксплуатации, совершенствования систем управления и программного обеспечения для управления турбиной, мультипликатором, генератором и системой автобалансировки-до € 900,000. В серийном варианте стоимость должна составлять около €250,000 - €300,000 для ветроэнергетической установки нового типа мощностью 200 кВт, т. е. не более €1500/кВт.

Потребность в привлечении инвестиций:
- в период 11/2019 – 01/2020 потребуется вся сумма для первого этапа (пп. 1.1 и 1.2) в размере не менее 93,200 евро;
- в период 01/2020 – 06/2020 потребуется часть суммы для второго этапа (пп. 2.1.2 и 2.1.3) в размере около 190,000 евро;
- в период 01/2020 – 12/2020 потребуется часть суммы для первого этапа (пп. 2.1.1 за 12 месяцев) в размере около 540,000 евро
Общая сумма необходимых инвестиций в период 2019-2020 гг – 823,200 евро.

По этапам:
1. Минимум 93 200,00 евро до конца 2019 года – патентная защита и первый этап исследований.
Возможные условия:
- Целевой грант;
- Лицензионное соглашение на 5ть лет на территории РФ с пониженной ставкой роялти;
- Опцион на заключение лицензионного соглашения с пониженной ставкой роялти на 5ть лет без привязки к территории и с возможностью перепродажи до окончания срока акцепта.
2. 540 000,00 евро в течение 2020 года равномерно – Административные и общехозяйственные расходы
3. 190 000,00 евро в первой половине 2020 года единовременно – Дополнительные исследования и моделирование процессов.
По пп. 2,3 возможные условия:
- Участие во вновь созданном акционерном обществе (типа c-corp) в юрисдикции Сингапура (хорошая законодательная и налоговая база для привлечения иностранного капитала) на условиях SAFE Note с Valuation Cap 10000000 EUR и Conversion Discount 10%;
- Условия как в п.1.

Основной риск - недофинансирование до 20.12.2019 (дедлайн по Международной заявке PCT/IB2017/054185 Vortex-type air flow concentrator) - как следствие отсутствие патентной защиты в странах-участницах PCT именно по этой заявке, но не по проекту вцелом.

1. Российский патент RU2655422C1, Международная заявка PCT/IB2017/054185 - Вихревой концентратор воздушного потока, Vortex-type air flow concentrator;
2. Российская заявка 2019122984 от 21.07.2019 года, Международная заявка PCT/IB2019/057055 – Адаптивная турбина, Adaptive turbine.