САЙТ КРЫЛОВА ПАВЛА
Главная
Схемы Ветрогенераторы Собаки Стройка Книги О сельском хозяйстве и прочем


О ветряках---->
Статьи и небольшие публикации о ветряках и других источниках энергии.

ВТОРОЕ ПРИШЕСТВИЕ ВЕТРЯКА


Доктор технических наук В. ЛЯТХЕР.


"Наука и Жизнь" 1991 №5

Ветрогенератор


Сто лет назад Герберт Уэллс задумался над энергетическими проблемами 2100 года. И тогда в его романе «Когда спящий проснется» появился такой пейзаж: »По всей возвышенности стояли ветряные двигатели гигантских размеров... » Прошло еще десять лет, и замечательный фантаст с удивительной прозорливостью назвал другой энергетический источник будущего — атомный. Сегодня, спустя век, мы, казалось бы, должны иметь возможность сравнить их, оценить перспективность каждого.

Однако сделать это не так легко. Совсем недавно основные надежды возлагались на атомную энергетику, но ныне картина не представляется уже столь ясной и бесспорной. Что заставляет менять недавно укрепившуюся концепцию? Думается, три глобальных фактора, затрагивающие интересы всего человечества.

1. Воздействия на природу, оказываемые мировой энергетикой, вызывают у большинства людей вполне оправданное беспокойство. В экстренных ситуациях, возникающих при авариях на атомных электростанциях, возможны даже изменения человеческого генотипа. Пока "чернобыльский синдром" только нарастает, и с этим уже не могут не считаться специалисты.

2. Невозобновляемые традиционные энергоресурсы (уголь, нефть, газ), потребляемые на планете за жизнь одного поколения, стали соизмеримы с их разведанными запасами.

3. Весьма сильна и пока продолжает увеличиваться неравномерность в обеспечении энергией разных стран. Она связана как с распределением естественных энергоресурсов по регионам, так и с отличием в уровнях технико-экономического развития мировых держав. Недавние события в районе Персидского залива убеждают, что эта проблема может стать источником трагических конфликтов. Пытаясь разрубить одним ударом гордиев узел этих противоречий, энергетики все чаще надеются получить экологические чистые киловатты "от уст Эола", из наиболее древнего источника энергии. Если существовал Ноев ковчег, то он, вероятно, плыл под парусами. За 200 лет до нашей эры ветряные мельницы работали в Персии, а еще раньше их использовали в Китае. В России к началу нынешнего века крутилось около 2500 тысяч ветряков с общей мощностью около миллиона киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились.

Правда, делались попытки

Ветрогенераторы

использовать тот же источник энергии уже на научной и государственной основе. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая установка мощностью 100 киловатт, а чуть позднее даже разработан проект агрегата на 5000 киловатт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики, занимавшийся этой проблемой, был закрыт.

Нужно заметить, что сложившаяся ситуация отнюдь не обуславливалась местным головотяпством. Такова была тогда общемировая тенденция. В США к 1940 году построили крупнейший ветроагрегат мощностью в 1250 киловатт. К концу войны одна из его лопастей получила повреждение, но ее даже не стали ремонтировать — экономисты подсчитали, что выгодней использовать обычную дизельную электростанцию. Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее создатель и владелец П. Путнэм изложил свой горестный опыт в прекрасной книге «Энергия ветра», которая не потеряла до сих пор своей актуальности.

Неудача крупномасштабной энергетики сороковых годов не была случайной. Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились удельные капитальные вложения на крупных тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как казалось тогда, гарантирует и низкие цены и удовлетворительную экологическую чистоту. Это, так сказать, внешние неблагоприятные факторы. Но были и внутренние.

Только неопытному взору ветроагрегат представляется простой конструкцией. На самом деле его создание — дело тонкое, кропотливое, требующее тщательной научной подготовки. Традиционная компоновка ветряков — с горизонтальной осью вращения — была сравнительно неплохим решением для малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, она оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но даже возникает опасность разрушения лопастей. Кроме того, концы лопастей крупной установки движутся с большой скоростью, и звук этой «арфы Эола» мало кому нравится.

Однако главная причина поражения все же экономическая: агрегат по мощности остается сравнительно небольшим, и доля затрат на его эксплуатацию оказывается довольно значительной. В итоге стоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии .

Хочется привести некоторые конкретные данные. По оценкам фирмы Боинг (США), в текущем столетии длина лопастей не превысит 60 метров, что позволит создать ветроагрегаты традиционной компоновки с мощностью порядка 7 МВт. Сегодня, кстати, самые крупные из них вдвое «слабее». Тогда при массовом строительстве можно рассчитывать на то; что цена киловатт-часа снизится до трех центов. Мелкие же агрегаты могут поставлять энергию примерно втрое более дорогую. Для сравнения отметим, что единственный наш ветроагрегат, серийно выпускаемый НПО «Ветроэн», имеет размах лопастей 6 метров и мощность 4 киловатта. Его киловатт-час обходится в 6-10 копеек. Сейчас НПО «Южное» готовит к испытанию ветряк на 100 кВт, но все равно и по мощности, и по стоимости энергии он не позволяет надеяться на ренессанс ветрогенераторов.

Пора, пожалуй,переходитькпозитивной стороне дела. Но сначала оценим, есть ли за что бороться, каковы ветровые ресурсы СССР. Их расчет далеко не тривиален. Общий потенциал атмосферы можно вычислить, зная ее массу и скорость рассеяния энергии. Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия ветра, превращающаяся в тепло, составляет 82 000 миллиарда киловатгчасов в год. Конечно, всю ее использовать невозможно, в частности, по той причине, что часто поставленные ветряки будут затенять друг друга.

Ветрогенератор



Если для первого этапа освоения ветроресурсов взять только нижний 200-метровый слой и поставить одну установку на 200 квадратных километров, то при установленной мощности около трех — пяти миллиардов киловатт можно выработать за год 10 000 миллиардов киловатт-часов, что в 5 раз больше гидроэнергетического потенциала страны. Важно отметить, что над третью суши СССР сосредоточена половина энергии ветра. Здесь среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте превышают 7 м/сек. Большая часть этих районов находится на Севере, но ветренные места есть также в Казахстане, в Поволжье, на Кавказе. Впрочем, если выйти на высоту в 500 метров, выбрав подходящую горку, то везде можно ставить эффективный ветроагрегат. Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет изменчивости ветра в пространстве, Если объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет практически постоянной.

В отличие от рек, потоки воздуха не знают «засух» и способны гарантировать надежное энергоснабжение. Особенно удобен может оказаться «симбиоз» этих двух источников. Еще академик А, В. Винтер утверждал. что сочетание ветровой и гидравлической станции может увеличить выработку последней в 3-4 раза. Причем, он имел в виду малые гидростанции, хотя указанный эффект еще ярче проявится на больших станциях с водохранилищем сезонного регулирования. Действительно, на многих северных реках зимой практически нет воды, и работа возможна только за счет запасов водохранилищ. Если к такой ГЭС добавить ветровую электростанцию, работающую наиболее эффективно именно на сильных зимних ветрах, то только за счет сохранения уровня водохранилища и пропуска стока реки с большим напором можно существенно поднять выработку ГЭС.

Итак, поэт был прав, утверждая: «Ветер, ветер, ты могуч!» Но как отобрать у этого силача столь нужную всем нам энергию. Конечно, можно и даже нужно совершенствовать традиционные ветроагрегаты с горизонтальной осью. Однако все технические ухищрения не позволяют надеяться на повышение единичной мощности:более чем до 20 МВт. На этом пути явно просматривается близкий тупик.

Гораздо лучшие перспективы сулят так называемые ортогональные установки с осью вращения, перпендикулярной скорости ветра. В них используются обычные крылья с профилями дозвуковых самолетов, в которых подъемная сила превращается в тянущую. Она возникает при обтекании профиля воздушным потоком с определенным углом атаки (меньшим «критического»). Нужный угол достигается тем, что лопасти агрегата разгоняются до скоростей, превышающих скорость ветра, в силу чего относительная скорость обтекания крыла оказывается существенно больше скорости ветра, а угол

Ветрогенератор

обтекания крыла — сравнительно малым. Различие в аэродинамике дает ортогональным установкам большое преимущество в сравнении с традиционными ветряками. Дело в том, что они при увеличении скорости ветра быстро наращивают силу тяги, но дойдя до определенного предела «успокаиваются». Это позволяет использовать очень простые электрические схемы, например с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Но еще более важным преимуществом новой конструкции стала ее способность без всяких дополнительных ухищрений следить «откуда ветер дует», что особенно существенно для приземных рыскающих потоков. Не удивительно, что машины подобного типа начали строиться по всему миру. в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

У нас также создана опытнопромышленная установка с крыльями от самолета Як-40. (На вкладке эта установка показана слева. Верхние тяги, соединяющие крылья, и вертикальная, стойка под центральной опорой не изображены.) Пока оптимизм энергетиков лишь нарастает, и уже поговаривают о «втором дыхании ветряков». Действительно, если удастся получить на них значительные мощности, резко снизить расходы на эксплуатацию, повысить надежность работы и перечеркнуть экологические проблемы, то о чем еще можно мечтаться Сегодня перед ветропоклонниками стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска. Ведь самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случаях с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию, раскрутить, довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.



Другой проблемой является ограниченная мощность отдельных агрегатов. Оптимальное решение этой задачи приводит к установке рабочих лопастей на индивидуальных тележках, на которых либо размещен мотор-генератор целиком, либо одна система его полюсов (другая остается на земле или находится на тележках, движущихся в противоположном направлении). Лопасти на тележках или на едином кольце движутся по замкнутой трассе большого диаметра. Попутно в этой конструкции достигаются еще две цели: за счет увеличения радиуса трассы уменьшается центробежная сила инерции, а ветер, проходя путь от крыла до крыла, успевает «восстановиться», что обеспечивает высокую энергетическую эффективность. На приводимом графике коэффициент мощности вдвое выше, чем у обычных машин. Однако поскольку невозможно только выигрывать, приходится особое внимание уделять конструкции опорноходовых узлов. Подвеска должна обладать максимальной долговечностью и иметь минимальные потери на трение. К счастью, нет необходимости самостоятельно придумывать велосипед,

так как уже хорошо отработаны магнитная, воздушная, электромагнитная и иные эффективные подвески. Благодаря отсутствию трущихся металлических элементов, они обеспечивают установкам высокую надежность и долгую жизнь. Особенно эффективно сочетание электромагнитной подвески с линейным генератором в предлагаемых многолопастных ветроагрегатах (центр вкладки). Выдача мощности начинается при скорости ветра около 5 м/сек, номинальная мощность достигается при скорости 14-16 м/сек. Проект ветроустановок предусматривает использование их в диапазоне от 50 до 2000 кВт. Имеются разработки и на мощность 25000 кВт. В наиболее реалистичной установке в 2000 кВт диаметр кольцевого моста, по которому движутся на воздушной или магнитной подушке тележки, составит около 80 метров. Масса нашей установки мощностью 130 кВт не превышает 15 т, а установки мощностью 2000 кВт— 100 т. Высокий уровень заводской готовности позволяет собирать подобные установки на месте за месяц. Особенно перспективны ветровые электростанции, расположенные на высоте 6-8 км, где плотность потока энергии ветра максимальна. Например, под Москвой средняя плотность потока энергии там достигает 6 кВт/м . Как показывают расчеты автора, потребуется сооружение ортогонального летающего ротора сечением в 6000 м для получения мощности 20 МВт. Такой ротор со струйным управлением циркуляцией на крыльях можно подвесить на полом газонаполненном кабель-тросе, обеспечивающем связь с землей. Стоимость энергии при этом может быть существенно ниже копейки за киловатт-час. Другой путь — уход под воду для использования энергии течений. При сохранении мощности в этом случае габариты установок должны быть уменьшены, а прочность лопастей увеличена. Впрочем, этот разговор уже выходит за рамки темы. Заканчивая его, хочу выразить надежду, что старая поговорка — о бессмысленности бросания денег на ветер — в энергетике может вскоре потерять свой смысл.


altay-krylov@yandex.ru