Автономно захранване на осветление за железопътни тунели с вятърни генератори

маг. инж. Илко Търпов, доц. д-р Георги Павлов

В железопътните тунели се създават силни или слаби естествени въздушни течения, обусловени от температурните разлики вътре и вън от тунела, от атмосферните условия, разликата във височините на двата входа, дължината и разположението на тунела спрямо направлението север-юг и др. Отделните фактори ще бъдат разгледани по-подробно в настоящата публикация с цел да се установи до каква степен би могло да се разчита на тях за постигане на достатъчна мощност на въздушните течения за производство на електрическа енергия и захранване на осветителни тела.

Осветление в тунелите

В железопътната мрежа на България съществуват 148 тунела, 36 от които са с дължина над 300 метра. Според нормативната уредба всички тунели с тази дължина и тези с дължина над 150 метра, разположени в криви, трябва да бъдат снабдени с осветление. По време на експлоатация доброто осветление допринася за безопасното преминаване на влаковете през тези съоръжения и за повишаване на комфорта на пътниците. Осветлението в тунелите е два вида: общо и ремонтно. Общото е стационарно и се включва и изключва автоматично от приближаващия влак или ръчно от съседните железопътни гари. Осветителните тела се разполагат извън строителния габарит на железопътната линия, на височина 3 метра от глава релса. Те трябва да осигуряват осветеност от 1 lx и трябва да осветяват целия тунел. При еднопътните тунели се монтират едностранно през 10 - 15 метра, а при двупътните двустранно, шахматно, през 20 - 30 метра. Осветителните тела трябва да бъдат защитени от влага, прах и механични повреди с възможност за лесно почистване и подмяна. В никакъв случай не трябва да заслепяват влаковия персонал.

Характеристики на вятъра в тунела

Естествените въздушни течения в железопътните тунели до голяма степен са индивидуални за всяко съоръжение. Това се дължи преди всичко на топографското разположение, през което минава тунелът, разликата в барометричното налягане при двата портала, температурните разлики на въздуха вън и вътре в тунела, както и скоростта и направлението на вятъра. Естествената тяга на въздуха в тунела зависи също и от неговите индивидуални характеристики: дължина, сечение, план и надлъжен профил. Температурните разлики на въздуха отвън и вътре в тунела, изразени ясно през зимния и летния сезон, обуславят топлинния въздушен напор. При дългите тунели, които пресичат високи водораздели, от двете страни на които метеорологичните условия могат да бъдат различни, възниква барометричен напор. Въздушният напор от вятъра зависи от разположението на порталите спрямо посоката на преобладаващите ветрове. Тези три компонента определят общия въздушен напор.

Кинетичната енергия на вятъра е пропорционална на плътността на въздуха, т. е. масата му за единица обем. С други думи, колкото е “по-тежък” въздухът, толкова повече енергия се получава от турбината. При нормално атмосферно налягане и при температура от 15 градуса по Целзий въздухът тежи около 1.225 килограма за кубичен метър. Плътността намалява бавно с нарастващата влажност, но се увеличава при ниски температури.

Съществен ефект върху скоростта на въздушните течения в тунелите оказват преминаващите железопътни транспортни средства. Те създават тяга от буталното действие, което предизвикват при преминаването през съоръженията. Този ефект е особено значим при еднопътните железопътни тунели, тъй като влакът заема голяма част от сечението на тунела и има дължина, съизмерима с дължината на тунела. Скоростта на въздушния поток в тунела се увеличава с приближаване на подвижния състав към входния портал и достига скорост пропорционална на скоростта на влака в самия тунел. След излизане на влака от тунела буталният ефект изчезва, но движението на въздуха към изходния портал продължава под влиянието на кинетичната енергия на масата на въздуха, намиращ се в тунела. Аналогична е картината и при двупътните жп тунели, но с тази разлика, че оставащото свободно пространство между влака и облицовката е значително по-голямо, което отслабва буталното действие.

Комбинираното въздействие на скоростта на влака и скоростта на въздуха предизвиква аеродинамичен вихров момент, който може да се използва за задвижване на вертикално осеви ветрогенератори. Роторите на вертикално осевите турбини описват повърхности на различни овални осево-симетрични тела. Когато тези тела са цилиндри с височина h и диаметър D, то площта на вертикалната им проекция е S = Dh.

Ветроенергиен одит

От съществено значение е да се определи каква е енергозначимата стойност на вятъра за всяка една реална турбина, както и кои са неполезните му компоненти. Това може да стане чрез извършване на ветроенергиен одит. Трябва да се отбележи, че в тунелите вятърът има посока от единия към другия портал по дължината на тунела, като скоростта е различна в средата на тунела и неговите стени. Този факт се дължи на триенето на въздуха в повърхностите, до които се допира. В тунели с гладки стени съпротивлението е по-малко.

В долната част на тунелите скоростта на въздушния поток е по-малка в сравнение с горната. При монтиране на вертикално-осев генератор с един цялостен вал ще се получи намаляване на теговата обща скорост. От друга страна, вибрациите и създаденият шум от витлата на ротора ще бъдат по-големи. Този проблем може да се реши чрез разделяне на модулни ротори, въртящи се в обратни посоки. Те са показани на фиг. 1 и 2, където са изобразени два контравъртящи се модула на турбина тип Дариус. Дариус турбините се въртят за сметка на аеродинамичната сила, която създава ветропотокът върху лопатите, а не за сметка на разликата (F1 - F2) в съпротивленията на двете осево-симетрични части на ротора на Савониус. Тази съществена разлика прави Дариус роторът над два пъти по-ефективен от този на Савониус.

Вертикално- и хоризонтално-осеви турбини

Предимството на вертикално-осевите турбини пред хоризонтално-осевите се състои в това, че първите не се налага да бъдат ориентирани в посоката на преобладаващия вятър и са способни да реализират ротационни движения, независимо от неговата посока. Това е безспорно предимство, което облекчава конструкцията и значително опростява ветроагрегати с такива турбини. Те са с 15 до 45% по-евтини от хоризонтално-осевите при сравними мощностни показатели. От друга страна, при разглеждания проблем тази конструкция напълно удовлетворява поставените изисквания за габарит на генератора и относителната еднаквост на направлението на ветропотока.

Но вертикално-осевите турбини се характеризират с известен брой определени технически проблеми. На първо място, могат да се получат големи натоварвания върху лопатите, дължащи се на центробежните сили, породени при въртенето на турбината при високи ротационни скорости и големи диаметри. На второ място, движението на лопатите срещу ветропотока при високи скорости на въртене може да доведе до по-високо шумово ниво, в резултат от големите завихряния, предизвикани от лопатите. И на трето място - лопатите на вертикално-осевите турбини са изложени на неравномерен усукващ момент, когато те извършват взаимно противоположните движения - пресичане на посоката на вятъра и движение по инерция.

Всички тези недостатъци в конкретния случай нямат определящо значение поради ограничените скорости на движение на влаковите състави в железопътните тунели, които са в порядъка от 40 до 80 км/ч.

Измерване на ветропотока в тунел с дължина 165 метра

За да се получи реална представа за големината и времетраенето на ветропотока при преминаване на влаков състав, бяха направени измервания в тунел с дължина 165 м между гарите Долна махала-Баня. Тунелът е еднопътен с габарит Г=6.00(м). Максимално допустимата скорост за движение е 60 км/ч. Участъкът е електрифициран и по него се движат електромотрисни влакове "Deziro" с ширина на коша 2,83 м +/- 20 мм и обща дължина между автосцепките 57,66 м. С посочената скорост тунелът ще бъде преминат за 13,4 секунди от навлизането на челната кабина до излизането на задната.

Измерването на скоростта на вятъра се извършва на входа на тунела с дигитален анемонетър MASTECH MS 6250. Температурата на околната среда e 24 °C, а влажността на въздуха е 64%. Датчикът е поставен на височина 1,8 м над глава релса и на 0,25 м от стената, като това не нарушава изискванията за минимален, допустим габарит. С преминаването на влак покрай датчика започва постепенно увеличаване на скоростта от 0 до 8,7 m/s. С преминаването на края на влака скоростта на въздушния поток рязко спада на 0,9 m/s и отново нараства на 5,8 m/s. Това се дължи на пониженото налягане на опашката на влака и на кинетичната енергия на въздуха от създадения бутален ефект, както и от завихрянията на въздуха след движещите се транспортните средства. Общата продължителност на времето през което скоростта на вятъра е равна или по-голяма от 2,5 m/s е 34 секунди, което представлява 1,6 пъти по-дълго време от времето за преминаване на състава през тунела. В обратна посока преминаващият влак се движи с 50 км/ч и отчетените показания на анемометъра са

Vт mах=5 m/s. Естественото течение е с еднаква посока на влака и има стойност Vт=1,4 m/s. Максимално достигнатата скорост на въздуха от 5 m/s е за период от 27 секунди, което също представлява приблизително два пъти по-дълго време от това за преминаване през тунела.

Заключение

С така получените стойности от измерванията на скоростта на вятъра в тунел може да се направи изводът, че е възможно монтирането на малки вертикални ветрогенератори с мощност до 300 W, които да захранват LED осветителни тела. Тяхното място може да бъде пред двата портала на тунелите или в намиращите се вътре ниши. При по-дълги тунели генераторите могат да са повече, така че необходимата мощност да се раздели на участъци според дължината на тунела.

Направеното предложение е удачно за отдалечени от електропроводи тунели, където инвестицията за прокарване на захранване ще е много по-голяма от оборудване с вятърен генератор.