Но вернёмся в Америку. В 1973 году "Национальный научный фонд"
(National Science Foundation, NSF) совместно с Льюесовским исследовательском центром НАСА (NASA Lewis Research Center) начали разработку программы ветроэнергетики, в 1974 годуNSFсменила "Администрация исследований и разработок по энергетике" (Energy Research and Development Administration, ERDA). Льюесовский центр занимался турбинами, поэтому организаторы логично поручили ему работу с ветряными турбинами. Так, например, одно время думали, что космонавтов лучше всего готовить из подводников, они тоже в скафандрах и в невесомости. Теперь центр носит имя Джона Гленна (John Clenn), первого американского астронавта, совершившего орбитальный полёт,
история же центра с ветряными мельницами известна только специалистам.
В соответствии с программой ветроэнергетики
предполагалось создание турбин большой мощности (более мегаватта), оценка
экономической эффективности ветроэнергетики, ветроразведка США, а также
передача результатов исследований бизнесу. На крупный же бизнес были
возложены и основные производственные, да и отчасти исследовательские работы
тоже.
Уже к сентябрю 1975 года была готова первая
экспериментальная установка, получившая названиеMod-0.
Её разместили неподалёку от города Сэндаски (Sandusky, к славянским
фамилиям не имеет никакого отношения) в штате Огайо, на севере страны. Лопасти для турбины были
созданы знаменитой авиационной фирмой Локхид(Locheed Aircraft
Corp.,нынеLocheed Martin),
известной многими замечательными машинами, среди них, в частности, тяжёлый
транспортный самолёт "Геркулес" (92 пассажира или 2 БМП),
разработанный ещё в 1954 году и выпускаемый до сих пор. Сам же ветрогенератор
строился фирмой Вестингауз (Westinghouse Electric Co.). В чертах ветрякаMod-0угадывалась машина Смита-Путнама,
но с нововведениями.
Ветряк Mod-0a и
самолёт "Геркулес"
в одном масштабе.
Размер в метрах (футах).
Если образцом для изготовления лопастей турбины
Смита-Путнама послужил железнодорожный вагон из нержавейки, то Локхид
использовал свой авиационный опыт. Лопасти у него получились похожими на крылья
самолёта и сделаны были из летучего металла -- алюминиевого сплава. Благодаря
ему их удалось сделать почти на порядок легче лопастей Смита-Путнама. Крепились
лопасти к оси проще, чем у предшественника, но надёжнее; основание алюминиевой лопасти
через стальное кольцо было привинчено болтами к ступице (в сущности, тоже
фланцевое соединение, что и у Хюттера). Управление углом атаки осуществлялось
гидравлическим приводом. Оболочка гондолы также была выполнена из нового
материала -- стекловолокна. Ферменная башня с лифтом и лестницей были похожи на
довоенные. Однако, всё это мы уже видели в других
исполнениях. Действительным нововведением оказалось микропроцессорное управление ветряком. Человек XXI века, взглянув на вычислительное оборудованиеMod-0, усомнился
бы в правомерности употребления приставки микро- в таком контексте. Тем не
менее, это действительно были микропроцессоры, поскольку они были собраны из
микросхем, каждая из которых состояла из множества микроскопических
транзисторов. Компьютерами их и тогда не называли, поскольку у них была узкая
сфера применения -- управление механизмами в реальном времени. Такой прообраз
"умных вещей". НАСА для своих ветряков использовала микропроцессоры
фирмы Диджитал Экьюпмент (Digital Equipment Corp., DEC, нынеHewlett-Packard)
серииPDP-11
(модификации 34 и 04). Процессоры анализировали показания анемометра,
определяли параметры электрической цепи, выставляли угол лопастей через
устройства телемеханики, отслеживали аварийные ситуации; руководили всей работой
ветряка, от старта до останова. (В первой серии ветряков курсовой угол
выставлялся независимо от процессора, с помощью аналоговой системы). Практика
цифрового управления ветрогенератором прижилась и дошла до наших дней, поэтому вполне
может быть оценена как отдельное большое достижение в истории
ветроэнергетики.
Традиционно приведу основные характеристики получившегося ветряка. (Интересно сравнить его мощность с мощностью двигателей самолёта "Геркулес" -- 14000 кВт.)
Ротор
Диаметр 125 футов (38,1 метра)
2 лопасти, на фланцевых соединениях
длина лопасти 18 метров (59,9 футов)
вес лопасти 907 кг (2000 фунтов)
скорость вращения 40 об/мин
регулировка угла атаки поворотом лопасти
высота оси 100 футов (30,5 метров)
заветренное расположение (на корме гондолы)
Редуктор
передаточное отношение 45
параллельная конфигурация осей
гидравлическая муфта на высокоскоростной оси
Генератор
синхронный переменного тока 60 Гц
125 кВА (200 кВт)
1800 об/мин
480 В
Гондола одной из турбин серии Mod-0а.
Механизм выставления угла атаки,
гидравлическая часть не показана.
Гондола
активное управление курсовым углом
сервопривод
теленаблюдение, удалённый мониторинг
Башня
ферменного типа
высота 100 футов (30,5 метров)
лифт для персонала
масса 20 тонн
Рабочие характеристики
минимальная скорость ветра 8 миль/час (3,6 м/с)
номинальная скорость ветра 18 миль/час (8 м/с)
максимальная скорость ветра 40 миль/час (17,9 м/с)
Регулировка мощности была организована таким образом, что при малой скорости ветра она росла по обычному кубическому закону, а по достижению 8 м/с мощность становилась постоянной, равной 200 кВт. При скорости 17,9 м/с турбина выключалась, включалась вновь только при падении скорости ветра до 11,1 м/с. Аналогично происходило при слабом ветре -- отключение при 3,6 м/с, включение при 5,8 м/c. Можно сказать, что мощность турбины была искусственно "задавлена", что разумно для опытного изделия.
Лопасть турбины Mod-0 в цеху.
Первые же испытания показали, что сMod-0что-то не так. Поэтому наработка для этой турбины не указана, в ней нет смысла. Испытания перешли
в долгую цепь экспериментов по совершенствованию конструкции. В ходе этой
работы были построены новые ветряки, на новых площадках, а первый из них, в
Сэндаски, стал экспериментальным полигоном, на котором отрабатывались новые технические
решения. Но об этом позже, в новом году уже теперь, как понимаю.
На предыдущих страницах уже неоднократно упоминался армированный пластик, пора описать технологию его изготовления. В самых общих чертах, разумеется, поскольку процесс этот совсем не простой, постоянно совершенствуется и существует во множестве вариантов. Часто его называют литьём, иногда даже литьём под давлением, поскольку он действительно напоминает литьё под давлением, но принципиально процесс иной, поэтому такое название вводит в заблуждение.
При изготовлении армированного пластика перед технологами стоит задача пропитать армирующее волокно заполняющим пластиком, причём таким образом, чтобы готовая деталь соответствовала заданной форме. В процессе используется вакуумирование, поэтому его было бы правильнее называть вакуумной пропиткой, но и здесь есть неточность, поскольку не учитывается важнейшая роль литейной формы. Впрочем, иногда литейную форму в описываемом процессе называют чеканом, по аналогии с прессованием. Пожалуй, наиболее точным будет название вакуумная пропитка на пресс-форме под атмосферным давлением, но мне ни разу не приходилось такого слышать. Так что, во избежание непонимания, лучше всего пользоваться нейтральным "производство изделий из армированного пластика".
Итак, по существу процесса. Он начинается с литейной формы, углубление в которой изготавливается по форме будущей детали. Сразу следует заметить, что точной получается только одна внешняя поверхность детали, та, что примыкает к литейной форме, но для лопастей этого вполне достаточно. Поверхность, как правило, подвергается предварительной обработке так, чтобы готовую деталь можно было отодрать от формы для повторного использования последней. Обработка может быть самой разной, поэтому нет смысла вторгаться в детали.
Далее на поверхность формы укладывается армирующая ткань (на рисунке внизу не указана). Поскольку у формы сложная топология, а ткань обычно изготавливается плоской (слово обычно здесь не случайно), то ткань перед укладкой следует нарезать полосками, иначе не избежать появления складок, которые всё испортят. Однако даже полоски надо укладывать аккуратно, поэтому так много было и часто всё ещё остаётся ручной работы при изготовлении лопастей, что завышает их стоимость. Надо ещё учесть, что работа с армирующим волокном (стекловолокно, углеволокно (карбон), кевлар) вредная, заполняющий пластик (синтетические смолы) и растворители-пластификаторы тоже не подарок, поэтому для снижения стоимости ветряных турбин очень важно автоматизировать и роботизировать изготовление их лопастей.
Примерная схема изготовления армированного пластика.
На слой волокна укладывается вакуумный мешок. В рассматриваемой конструкции этот мешок не совсем мешок, но лист гибкого материала (обычно силикон), повторяющий форму литейного углубления, с учётом толщины будущей детали. Мешок выступает за края литейного углубления, где герметично присоединяется (приклеивается) к литейной форме. Тем самым, между литейной формой и вакуумным мешком образуется полость, заполненная волокном. В мешке есть технологические отверстия. Примерно по центру будущей детали через отверстия в мешке в полость подаётся под небольшим давлением пластик, а за пределами литейного углубления через специальные отверстия насосом откачивается воздух. Мешок прижимается к литейной форме атмосферным давлением.
Почему пластик подаётся в форму под небольшим давлением в отличие от литья под давлением? Потому что у него высокая вязкость, а ему следует пропитать всю полость, пролезая сквозь армирующие волокна. Создать очень высокое давление можно, но что тогда случится с волокном, когда на него ринется неудержимый поток вязкого пластика? Его просто сметёт, как это и происходит при литье под давлением, когда из литейной полости выметается всё, в том числе, заполняющий материал, если литьё производится по выплавляемой модели. Поэтому пластик не спеша заполняет пустоту (вакуум), остающийся от отступающего воздуха. Атмосферное же давление помогает отгонять случайные пузырьки в слое волокна, пропитанного пластиком.
Таким образом "отливаются" две половинки будущей лопасти. После отливки место их стыка обрабатывается и половинки сшиваются (склеиваются) вместе. Затем производится финишная обработка: шлифовка-полировка поверхности, покраска, покрытие защитным слоем от истирания и прочее. Формируется место соединения лопасти с осью и всё остальное. Эти процессы немного похожи на обработку кузовов автомобилей, поэтому их уже неплохо роботизировали.
Сделаны определённые шаги и в направлении автоматизации основного процесса. Очень интересной представляется технология... Но, пожалуй, не буду забегать вперёд, о ней вполне можно будет рассказать отдельно, когда подойдёт время для её реализации. В семидесятых же годах прошлого века преимущество мог дать только бесплатный труд волонтёров. Более того, создатели турбины Твинд не использовали технологию, описанную выше, габариты не позволяли. Каждую полоску стекловолокна они пропитывали кисточками. Адский труд.
Небольшое видео о полукустарном производстве лопастей:
Частная школа для трудных подростков "Твинд" была основана в 1970 году тогда ещё совсем молодым датским учителем Амди Петерсеном (Mogens Amdi Petersen). Теперь (конец 2016 года) Петерсену 77 лет и его разыскивают датские власти через Интерпол по обвинению в растрате государственных средств и в уклонении от уплаты налогов. Последний раз его видели в Мексике. Так что, если вы вдруг видели его где-нибудь, то знаете куда следует сообщить. Не могу знать насколько обоснованы претензии к этому человеку, но не удивлюсь, если вполне. Род занятий способствует. Почитайте Макаренко, например. Макаренко даже по тогдашним законам следовало бы посадить, не говоря уже о законах современной Дании. Разумеется, большинство педагогов люди честные, но соблазнов для них действительно много, особенно когда речь идёт о государственном финансировании. Тем более достойны уважения те из них, кто несмотря ни на что не запускает руку в чужой карман, и печально, что на них ложится тень от немногих проходимцев. Легла тень и на "Твинд", усилив сомнения в благостности его деятельности. К нашему времени он разросся от частной школы до целой империи добрых дел... Может быть, его и в самом деле пора прикрыть, очень важно бывает уйти вовремя, с доброй памятью о себе. Ведь есть о чём вспомнить с уважением и благодарностью.
Цитатник Мао Дзэдуна
на датском языке.
29 мая 1975 года состоялась историческая встреча учащихся и преподавателей школы "Твинд", всего 400 человек, их средний возраст составил тогда 21 год. Встреча положила начало проекту постройки большой ветряной турбины Твинд. Проект проходил под девизом "Пусть расцветают 100 мельниц" (..lad 100 møller blomstre..), в коем, несомненно, содержалась аллюзия на цитату Мао "Пусть расцветают 100 цветов" из популярной в то время среди европейской левоты красной книжицы, цитатника Великого кормчего. Аллюзия провокационная, памятуя чем весь этот расцвет закончился в Китае, но Дания не Китай, всё обошлось. Помимо четырёх сотен основателей, мельницу строили несчитанные волонтёры, их количество оценивается в десятки тысяч человек. Среди волонтёров встречались и профессионалы, которые не только таскали и бросали, но и консультировали строителей на предмет конструкции мельницы. За основу приняли мельницу острова Гедсер, но лопасти к ней сделали по примеру турбины из Штутгарта. Авторы сайта, посвященного турбине, утверждают, что Петерсен сам лично настоял на дизайне Хюттера, по которому в Дании в то время никто не работал. Удивительно как сошлись вместе криминальные умы ради благого дела. Вот уж воистину "та сила, что вечно хочет зла".
Изготовление лопасти Твинд.
Работа продолжалась три года, на проект, помимо неучтённых бесплатных усилий, потратили 6,5 миллиона датских крон. 26 марта 1978 года мельница впервые завертелась, но понадобилось ещё почти два года, чтобы устранить все недостатки и запустить машину в постоянную эксплуатацию.
"Тренировочная" турбина,
Фото Erik Grove-Nielsen.
Технология производства лопастей из армированного пластика в то время, по большому счёту, не существовала, поэтому команда провела долгую подготовительную работу, прежде чем приступить к их непосредственному изготовлению. К Хюттеру в Штутгарт отправилась настоящая паломническая миссия для восприятия опыта, после чего начались практические эксперименты. Вначале потренировались на лодках. Лодки из стеклопластика в 70-х были хорошо известны. Если мне память не изменяет, я и сам катался на такой в Подмосковье в году этак в 75-м. Лодка в работе испытывает существенные нагрузки, и мало найдётся датчан, которые не разбираются в лодках и не смогли бы грамотно оценить результат. Затем они сделали малый ветряк на 20 кВт, причём литейные формы для его лопастей взял в аренду, а потом и приобрёл Эрик Грове-Нильсен (Erik Grove-Nielsen). И только после всех этих тренингов началось создание настоящей турбины. И вот что получилось.
Ротор
Диаметр 54 метра
3 лопасти
максимальная скорость вращения 21 об/мин
регулировка угла атаки поворотом лопасти
ось ротора от винта нефтяного танкера, позаимствована на верфи Роттердама
высота оси 53 метра
заветренное расположение (на корме гондолы)
Редуктор
серийный ASEA, модель 1958 года, найден на шведской медной шахте
передаточное число 20
Генератор
серийный ASEA, модель 1954 года, со шведской бумажной фабрики
синхронный
1725 кВт активной мощности
Гондола
активное управление курсовым углом
Башня
железобетонная
высота 53 метра
лифт для персонала
масса 1620 тонн
Рабочие характеристики
минимальная скорость ветра 2,5 м/с
номинальная скорость ветра 8 м/с
максимальная скорость ветра 21 м/с
средняя скорость остановки 16 м/c
годовая выработка 0,5 миллиона кВт-ч
полное время работы 150540 часов (на конец 2014 года)
полная наработка энергии 20 млн. кВт-ч
Организационно проект Твинд вполне соответствовал новейшему времени, поэтому нельзя назвать его главного автора, роль лидера проекта (коим был Петерсен) сводилась к чисто управленческим действиям. Эпоха "генеральных конструкторов" ушла в прошлое. В общем-то, уже руководители проектов 30-х годов были скорее менеджерами, чем инженерами, но какая-то инерция оставалась, причем не всегда хорошая. Я имею в виду, что генеральные не всегда грамотно вторгались в техническое творчество участников проекта со своими оригинальными "задумками". Управленческая культура руководителя большого инженерного проекта требует от него способности оценить работу участников проекта, а не делать её самому. По всей видимости, Петерсен обладал необходимой культурой. Так, основным техническим консультантами проекта выступали Датская национальная лаборатория энергетики из возобновляемых источников (Risø) и Датский технический университет. Они самостоятельно разрабатывали ветряные турбины, но ничего подобного Твинд у специалистов не получилось. Ковчег построили любители. Специалистам не хватило грамотного выбора необходимых технических решений, т.е., менеджмента. Звучит неубедительно? Ни одна турбина профессионалов не имела лопастей Хюттера, хотя они прекрасно знали о немецком изобретении, но хотели смастерить что-то своё.
Помимо несомненно удачных выборов технических решений в проекте случались также неудачные и сомнительные. Неудачным оказался первоначальный редуктор, его сразу же пришлось заменить из-за высокого уровня шума и вибраций. Что было непросто, работать приходилось на высоте, в прямом смысле слова, башня Твинд падать ниц как эоланка не умела. Кстати, при монтаже и ремонте агрегатов турбины использовались подъёмные краны, как и на современных турбинах. Установкой заведовала компания Klose Kraner (часть промышленной группы BMS из Holstebro), это был первый её шаг к лидерству на рынке ветряных турбин, хотя компания его не помнит. Ай-я-яй. На фотографии слева можно видеть процесс установки лопасти. Нынешняя технология предполагает горизонтальное положение лопасти при монтаже, здесь же она висит под углом, хотя и под малым. Почему так не знаю, но крылья к ветряным мельницам устанавливали совсем иначе -- отвесно вниз, поднимая их с земли, кранов-то не было, так что технология Твинд ближе к современной.
К сомнительному выбору я бы отнёс саму башню. То, что она не умела падать, это ей большой плюс, на самом деле, а вовсе не минус, как можно было бы подумать из предыдущего замечания. Не затем воздвигают башни, чтобы они падали. Но полторы тысячи тонн, это многовато будет, хотя кашу маслом не испортишь, конечно, вопрос в цене. Динамический расчёт башни провёл Ханс Йорген Лундгард Ларсен (Hans Jørgen Lundgaard Laursen), башня у него получилась основательная, как и его имя. Именно на её основание я и хотел бы обратить особое внимание. Башни из бетона мало теперь кто строит, более того, даже у бетонной башни верхушку стремятся сделать стальной, металл лучше держит изгиб (у Останкинской башни, кстати, верхушка тоже стальная). Зато конический железобетонный фундамент, практически точно такой же как у Твинд, самое ходовое решение для наземных ветряных турбин. Конус делают меньшей высоты (башни не такие тяжёлые) и закапывают его в землю на всю высоту, а не наполовину как тёщу, в остальном же, это тот же самый дизайн Ханса Йоргена. Подставка оловянного солдатика, как бы я назвал этот фундамент. Думаю, что каждый датчанин читал сказку про одноногого солдатика.
Среди прочих создателей Твинд, всех которых не перечесть, я бы ещё отметил профессора Технического университета Копенгагена Ульрика Краббе (Ulrik Krabbe), который вместе со своими студентами разработал электрику станции Твинд. Задача перед ними стояла непростая. Мощность турбины большая и переменчивость её, соответственно, тоже. Ну, и все остальные тоже молодцы. Лица некоторых участников проекта можно увидеть на фотографиях сайта "Ветер перемен".
И всё таки, главное достижение станции Твинд, это её долговечность. За время эксплуатации случались поломки. Вот их краткий список:
1989 -- замена подшипника одной из лопастей
1993 -- замена всех трёх лопастей и двух оставшихся подшипников (т.е., после 15 лет службы)
1999 -- покраска в нынешнюю красно-белую расцветку
2000 -- модернизация курсового механизма и управляющих систем
2004 -- замена ещё одного подшипника лопасти
2015 -- увеличение мощности и установка дополнительного преобразователя частоты.
Как можно видеть, основная проблема -- подшипники лопастей, наиболее нагруженный и, в тоже время, точный узел всей конструкции. Тем не менее, они ходили по десять лет даже такие, созданные не пойми кем, в спешке, без предыдущего опыта эксплуатации. Многие важные узлы и вовсе были подобраны на помойке, но к ним никаких претензий. Это по технике, а с наработкой всё сложнее.
Во-первых, если мы поделим отработанные часы на время эксплуатации (40 лет), то увидим, что простои турбины составляют примерно половину времени эксплуатации, что многовато. Очевидно, что в её истории случались длительные и/или частые остановки. Во-вторых, средняя мощность всего 133 кВт, т.е., менее 10% от максимальной. Тут явный не то чтобы просчёт... но, скорее, перестраховка создателей, как и в случае с башней. Опыта не было, поэтому турбина была оптимизирована на слабый ветер, а он, сами знаете... При сильном же ветре турбина обычно останавливалась, отсюда средняя скорость ветра при остановке -- 16 м/c. При таком ветре работать бы и работать, но надёжность была избрана приоритетом, поэтому и дублируемая система тормозов, поэтому и прослужила 40 лет. Тише едешь, дальше будешь.
Что же касается экономики... Она всегда была слабым местом Петерсена. Если умножить наработку на нынешнюю цену электричества в Дании, то получится около 45 миллионов крон. Но как это сопоставить с заявленными тратами в 6,5 миллионов? В Дании была сильная инфляция, причём как раз в конце семидесятых и в восьмидесятых годах. Кроме того, ремонт, эксплуатационные расходы, банковский процент... Нужно также иметь в виду, что стоимость электричества в Дании одна из самых высоких в мире (0,3 евро за кВт-ч). А бесплатный труд волонтёров? А уникальный дизайн? Общее же впечатление такое, что станция пока не окупилась. Ну так что ж, у неё ещё есть время, ведь она пока работает.
Стойкий оловянный солдатик на исходе четвёртого десятка лет своей службы:
Ранним утром десятого числа осеннего месяца тишрея в 5734-й год от сотворения мира (6 октября 1973) в праздник Йом-Кипур (Судный день) войска объединённых арабских сил вторглись на оккупированные Израилем территории Синая и Голанских высот. Началась война с участием миллиона солдат и многих тысяч боевых машин. Она продолжилась 18 дней, унесла с собой десяток тысяч жизней, а ничего хорошего, как и водится за войнами, не принесла. Одним из неприятных последствий войны стало нефтяное эмбарго, объявленное 17 октября арабскими странами, производителями нефти, странам, поддержавшим Израиль в войне.
Эмбарго продержалось недолго, но его последствия изменили мир. Если говорить узко об одной только нефти, то эмбарго позволило выйти на мировой рынок новым производителям (включая СССР), существенно повысить цены на нефть и поставить нефтяные компании на вершину мировой экономики. Такое положение дел мало кому нравилось, поэтому вызвало обратную реакцию, смысл которой сводился к поиску альтернативных источников энергии. Так Франция перевела практически всё своё производство электричества на атомную тягу.
Другим, важным для нас последствием, стала начавшаяся в 1975 году программа под руководством НАСА по созданию мощных ветряных турбин. Финансировали программу министерства энергетики и природных ресурсов США. То есть, обычно так декларируется, что программа была вызвана ростом цен на нефть, но на самом деле всё обстояло несколько сложнее. НАСА давно интересовалось ветряными мельницами, принимало участие в проекте Смита-Путнама, например. К 1973 году благополучно завершилась программа "Аполлон", на которой НАСА хорошо поднялось. Высвободившиеся управленческие ресурсы следовало направить в новое русло, началась программа "Спейс Шаттл", но пока она развёртывалась, можно было бы организовать что-то лёгонькое. Действительно, по сравнению с высадкой человека на Луну установка парочки ветряных мельниц представлялась совсем простенькой задачкой. Надо заметить, что НАСА с заданием справилось, разве что мельницы получились по цене космических кораблей и были построены в единственных экземплярах, но это нормально для передовых технологий.
В июне 1973 года в Вашингтоне состоялся семинар "Системы преобразования энергии ветра" (Wind Energy Conversion Systems), в котором приняли участие некоторые весьма деятельные участники будущей программы НАСА. С этого семинара и следует начинать отчёт программы. В июне 1973-го, секундочку. За четыре месяца до Судного дня. Поэтому я и не считаю обоснованной причинно-следственную связь нефтяной кризис -- ветряные мельницы НАСА. Тем не менее, связь между ними есть, синхронистическая, если припомнить К.Г. Юнга, или, если использовать метафору наших дней, эти два явления находятся в состоянии квантовой запутанности, а если не мудрствовать, то и война, и эмбарго, и проект НАСА имеют в своей основе одну и ту же причину. Во вступительном слове к семинару (чья помощь в написании этих страниц неоценима) только указывается на эту причину, я бы хотел немного развернуть тему, благо с высоты прошедших лет яснее видно, а лицом к лицу лица не увидать, как сказал поэт.
Начать следовало бы с Томаса Мальтуса. В 1798 году он опубликовал свой классический труд о законе народонаселения. Теория Мальтуса была неплоха с точки зрения математики, но применимость её к такому сложному объекту как человечество ничем не была оправдана. К сожалению, очень многие люди любят простые решения и многие оказались воодушевлены выводами теории Мальтуса. Теория предсказывала неизбежное исчерпание продовольственного ресурса вследствие неуёмного роста народонаселения. Так как человеку свойственно задумываться о будущем, даже самом отдалённом, то появились различные представления о том, как в будущем будет решаться проблема Мальтуса.
Некоторые полагали, что всё будет как и прежде, просто в иных декорациях. В новелле Эдгара А. По "Mellonta tauta" (1849 год издания) представлена саркастическая картинка такого будущего, удаленного на тысячу лет от автора: "...в числе других интересных новостей услышали, что в Африке бушует гражданская война, а чума делает свое благое дело и в Юропе и в Айшии. Подумать
только, что раньше, до того как Гуманизм озарил философию своим ярким светом, человечество считало Войну и Чуму бедствиями. В древних храмах даже молились об избавлении людей от этих бед (!). Право, трудно понять, какую выгоду находили в этом наши предки! Неужели они были так слепы, что не понимали, насколько уничтожение какого-нибудь миллиарда отдельных личностей полезно для общества в целом?"
Другие, условно назовём их антигуманистами, верили в человеческий разум, способный справиться с перенаселением, и предлагали свои методы решения проблемы. И это была и остаётся реальная проблема. Ведь уже то, что эти люди считают теорию Мальтуса адекватной, делает их самих неадекватными. Бельгийский математик Пьер Ферхюльст в 1838 году сделал попытку хоть как-то примерить теорию с реальностью и записал логистическое уравнение, которое хотя бы не даёт нереалистических результатов мальтузианской катастрофы (полтора землекопа). Уравнение пришлось как нельзя кстати любителям простых моделей.
В 1956 году американский геолог и геофизик Кинг Хабберт опубликовал статью, в которой он, вдохновлённый логистической кривой, предсказал так называемый "пик нефти". Из расчётов Хабберта следовало, что примерно к 1970 году добыча нефти в США достигнет максимума, после чего начнёт снижаться, приближаясь к нулю. И это действительно произошло. Казалось бы, теория восторжествовала, но, на самом деле, здесь мы имеем пример так называемого "самосбывающегося пророчества". Пример настолько восхитительный в своей чистоте, что он должен войти во все учебники по элементарной магии, когда таковые появятся.
Теория Хабберта понравилась не только людям не искушённым, но и влиятельным лицам. За "пиком нефти" ясно просматривалась апокалиптическая картина Судного дня, исчерпания всех и всяческих ресурсов планеты, гибель цивилизации и всего человечества. На ней грешно было не заработать. Семена страха упали на хорошо унавоженную авраамическими религиями эсхатологическую почву в сознании обывателя Ойкумены. В мире была создана могучая индустрия страха перед концом света, на которой наживались и продолжают наживаться все кому не лень, от нефтяников и до киношников, от фармацевтов и до политиков. Трудно подсчитать, но я не удивлюсь, если доходы от торговли страхом превысят доходы и от торговли оружием, и от торговли нефтью, и от проституции, и от гомеопатии вместе взятых. В 1972 году созданный незадолго до этого Римский клуб, пророк грядущего Судного дня, представил широкой публике доклад о том, что жить ей осталось лет сто, не многим более. Доклад регулярно обновляется и многие до сих пор веруют в его выводы как во второе пришествие.
Производство (синий) и потребление (красный) нефти
в США. Разница между кривыми -- импорт в США.
По данным EIA.
Итак, первым делом рванулись зарабатывать нефтяники. В то время на рынке нефти господствовал картель "Семь сестёр". Пользуясь сговором, он наращивал экспорт нефти с Ближнего Востока, снижая закупочные цены в странах-производителях. Власти США не препятствовали этому процессу: дешёвая нефть стимулировала экономический рост. Они не возражали даже тогда, когда в 1971 году собственное производство нефти обрушилось, оказавшись не в состоянии обеспечить конкурентоспособные цены. Такое равнодушие к отечественному производителю объясняется тем, что компании зарабатывали в других местах и тянули прибыль в страну, а собственную нефть нужно было беречь, ведь она вот-вот закончится. Более того, со стороны властей даже были предприняты определённые усилия для сдерживания добычи нефти в США. Тем не менее, несмотря на все усилия, когда мировые цены в десятых годах XXI века достигли максимумов, тогда и добыча в США вернулась к пику Хабберта, хотя по его теории должна была бы уже уйти в ноль (см. предыдущий график).
Не остались в стороне от гонки за наживой и страны Ближнего Востока. В 1960 году была создана ОПЕК, чтобы не обносили стороной правительства нефтедобывающих стран. По сути, эта организация была неким посредником в дележе прибылей между "семи сёстрами" и местными властями. В 1973 году она решила сыграть свой собственный спектакль в театре ужасов. Представление продлилось полгода, после чего страны производители убедились, что единственный, кто серьёзно пострадает от эмбарго, это они сами. Однако, страхов на обывателей навели не мало, поэтому цены удалось поднять, убытки отбили с лихвой. Заработал и Израиль тоже, как единственная сила, способная навести страх на страны-производители.
Озолотилась атомная индустрия. Только-только были созданы первые экспериментальные атомные реакторы и сразу же появились промышленные установки. Перенос прежде совершенно неизвестной и опасной технологии в обычную жизнь из военно-научной сферы занял менее десяти лет. В серию запускались непродуманные, технологически примитивные реакторы, отличавшиеся от паровозов разве что тем, что топливо в них загружал не кочегар лопатой, а оператор подъёмным краном. Да, было ещё одно отличие -- цена, чуть побольше паровоза. Ни экономические соображения, ни страх перед возможными разрушительными последствиями не смогли побороть страх перед исчерпанием минерального топлива. Как следствие стала череда катастроф, из которых только наиболее выдающиеся: Три Майл Айленд, Чернобыль, Фукусима. За шестьдесят лет своего развития под покровительством правительств развитых стран атомная энергия так и не смогла захватить более 17% от производства электроэнергии в мире. Фактически, атомная энергетика не вышла за пределы богатого мира, те отдельные станции, которые были построены в развивающихся и небогатых странах, были оплачены чужими правительствами, СССР, в первую очередь. И дело тут не в контроле за распространением ядерных технологий -- пока ещё никто не смог доказать экономическую эффективность атомной энергетики.
Выиграли также те, кто помогал экономить. Кто производил счётчики, энергосберегающие лампочки, малолитражные автомобили, тёплые дома, стеклопакеты, разные другие экономичные вещи, внедрял автоматизацию, занимался вторичной переработкой. Выиграли даже некоторые из тех, кто разумно экономил. Хотя в основном на них и зарабатывали все остальные.
Ветроэнергетика тоже выиграла. Без этой паники о ней бы вовсе не вспоминали после 60-х годов. Но проигрыш был не меньшим. Произвести экономический расчёт всего цикла атомной энергетики никому не под силу (уже только по причине большого числа неизвестных, без теорий заговора), а с ветром всё намного проще, всё на виду. Оценки проводили и результаты не впечатляли. В последующем энтузиазм к ветряной тематике рос вместе с ценами на нефть и вместе с ними же падал. Так было примерно до 2013 года, когда наконец не стало сбываться самосбывающееся пророчество в отношении пика нефти в целом по всему миру. Мир захлебнулся нефтью и больше не желает зависеть от этого доисторического гноя. Производители нефти озадачены теперь тем, как заткнуть уже пробуренные скважины, чтобы наконец скатиться вниз по колоколу Хабберта и хоть так продержаться ещё несколько десятилетий. Как однажды заметил министр нефти Саудовской Аравии: "Каменный век кончился не потому, что кончились камни, и нефтяной век кончится не потому, что кончится нефть".
Пока же впереди были сорок лет скитаний в поисках технических решений, годных с экономической, экологической и прочих точек зрения. На семинаре 1973 года была представлена приблизительная программа пятилетних работ, целью которых являлось создание системы преобразования энергии ветра, предоставляющую потребителям энергию по ценам, конкурентным с другими энергетическими системами. Параллельно предполагалось создать хранилище (аккумулятор) энергии, а также заниматься изучением ветра. В общем, надо было сделать всё сразу и побыстрей и уже в 1975 году приступить к строительству.
В историографии ветроэнергетики принято говорить о неком провале, предшествующем событиям войны Судного дня 1973 года, но как мы видели по предыдущим страницам, активные работы с мощными ветряными турбинами продолжались вплоть до середины 60-х годов. Более того, исследования не прекращались и далее. Так, например, фирма Aerowatt, восприемница БЕСТ Романи, совершенствовала лопасти, поборола флаттер, тестировала новые установки, оценивала экономический эффект от применения ветряных турбин (он, правда, оказывался отрицательным, но турбины у них были маленькие). Исследовательский институт Брайса (Brace Research Institute) из канадского Квебека (ныне The Brace Centre for Water Resources Management) занимался собственными, оригинальными разработками в области ветроэнергетики. Цель института была и остаётся борьба с опустыниванием земель с помощью природных сил и средств, поэтому водяные насосы, приводимые в действие силой ветра, их сразу заинтересовали. С момента своего образования в 1961 году, на опытной базе на острове Барбадос, в сердце пассатных ветров, институт проводил многолетние эксперименты с различными ветряными машинами. Как уже упоминалось, в 1963-64 годах испытывалась турбина Андрё. В 1965-67 годах институтом была разработана собственная турбина на 10 л.с., для практического использования на Барбадосе. В 1971-72 годах проходили эксперименты с генератором на постоянных магнитах, очень перспективная вещь, только теперь широко внедряется. Проводил институт и многие другие работы.
Тем не менее, некоторое разочарование произошло, и его отголоски до сих пор служат основанием для пессимизма в отношении ветроэнергетики. Три проекта больших турбин начались и завершилось практически одновременно: Ножан-лё-Руа, Гедсер и Штутгарт. И все три, так или иначе, провалились. Это три источника, три составных части пессимизма. Проекты продемонстрировали, что ветряные турбины дорогие, ненадёжные, орошают поля машинным маслом. Электричества же, которое они дают, так мало, что его не хватит даже на производство одной такой турбины. Эти и другие глупости запомнились и передаются из поколения в поколение сведущими людьми.
Три источника, три составных части пессимизма.
Любопытно, что если внимательно посмотреть на три эти турбины и скомпоновать из их лучших частей новую, подобно тому, как упражнялся гоголевский Подколёсин, то получится замечательная машина. На башне из стальной трубы, с тремя пластиковыми лопастями по ветру, с регуляторами скорости, подключённая к распределительной сети, почти готовый прототип, подобный тому, с которого началось нынешнее триумфальное шествие ветрогенераторов. Но никто этого не сделал, всё шло своим чередом, велосипед изобретали помногу раз. И это правильно.
В августе 1961 года в Риме, по приглашению правительства Италии состоялась конференция ООН по новым источникам энергии. Материалы конференции представляют тогдашнее состояние ветроэнергетики в мире и хорошо подходят для того, чтобы подвести черту под первой частью истории ХХ века.
В отчёте конференции были приведены экономические оценки. Я бы не стал придавать особого значения их абсолютным величинам, да и сами авторы указывают на их большой разброс, но из сравнения вытекает явная тенденция снижения стоимости киловатта мощности при увеличении мощности ветряка.
$420-$560 за киловатт с учётом батарей для малых ветряков;
$280-$420 за киловатт для средних с мощностью 10-100 киловатт;
$140-$280 за киловатт для ещё более мощных.
Далее авторы провели оценку стоимости киловатт-часа, исходя из 12-летнего срока эксплуатации и разумной годовой выработки, с учётом банковского процента и стоимости техобслуживания, получая следующие значения для трёх категорий ветряков: между 10 и 100, между 6 и 60, и от 3 и более тысячных долей доллара за киловатт-час. Как-то очень оптимистично, но я бы опять обратил внимание на одно только соотношение: электричество от маленьких в десятки раз дороже, чем от больших.
Рассматриваются первые итоги ветроразведки. Если в масштабе континентов всё было более-менее известно от метеорологов (на побережье ветер сильнее, в центре Евразии ветра определяются сезонностью), то непосредственно на местах установки турбин данные метеорологии оказались непригодными для ветроэнергетики. Фактически, возможно впервые на мировом уровне на конференции были сформулированы цели и средства ветроразведки; построение карт местности с величинами киловатт мощности турбины на квадратный метр площади её ротора за счёт длительных (год и более) наблюдений. В наше время такие наблюдения дополняются компьютерным моделированием переноса воздушных масс, что позволяет получать информацию не по отдельным точкам с измерительной аппаратурой, но во всём интересующем объёме воздуха и прогнозировать поведение ветра в различных ситуациях, включая установку турбин. В 60-х годах такое прогнозирование было за гранью фантастики. В то время предполагалось только найти некие зависимости между средними величинами, описать общие и типичные соотношения. В ходе наблюдений предполагалось записывать такие специфические для ветроэнергетики параметры, как кратковременные изменения ветра, суточные и сезонные колебания, частота и продолжительность периодов слабого ветра и другое, и это в почасовой записи. Предлагалось также искать наиболее подходящие площадки, где естественным путём происходит усиление ветра. Некоторые такие места были известны ещё строителям ветряных мельниц задолго до ХХ века.
Отдельно были даны сведения о проектах крупных ветряных турбин. За исключением некого венгерского проекта, о котором мне ничего не удалось найти, все они уже были здесь рассмотрены. Во время конференции венгерский проект находился на стадии реализации, возможно, он так и не был завершён.
В качестве выводов было отмечено, что для создания ветровых электростанций есть технические возможности, чего не скажешь об экономических. Что самое интересное, было предсказано будущее для малых машин, несмотря на высокую стоимость предоставляемой ими электроэнергии. В некоторых случаях применения малых машин стоимость электричества не критична, куда важнее другие их качества -- автономность и отсутствие потребности в топливе. В отношении больших машин был отдельно отмечен оптимизм Юуля, тот верил, что у Дании особый путь и доля электричества от ветра в этой стране может достигнуть 20%. Когда-нибудь. Достигнуто к 2010 году, а 9 ноября 2016 года на тендер, объявленный правительством Дании на строительство морского ветропарка мощностью 600 МВт в Балтийском море, поступила заявка с ценой 37.2 øre/kWh, т.е примерно 5 центов США за киловатт-час, или 6 тысячных доллара США 1961 года, или три с полтиной наших деревянных. Это оффшор, он традиционно дорогой.
Но вернёмся в 60-ые. Тогда перспективы были туманные, недаром выступление Юуля было индивидуально отмечено как особое мнение, поэтому действительно можно говорить о неких тёмных веках. А раз перерыв случился, то следует очертить его рамки. По верхней границе, 1973 году, вроде бы есть общепринятый консенсус. Нижнюю границу я бы установил посередине 60-х. Это несколько произвольно с моей стороны, но я предпочитаю 1966 год. Во-первых, к этому году закончились все три проекта больших турбин. Во-вторых, уже на следующий год произошла Шестидневная война, ситуация в мире начала меняться. В-третьих, эта дата близка мне по личным мотивам. Итого получается семь тощих лет, вроде бы немного, но такой период в мировой истории нередко приводил к серьёзным последствиям.
Чертёж StGW 34.
Взят без разрешения из архива
университета Штугарта.
В 1949 году при университете Штутгарта по инициативе Земельного управления бизнесом (Landesgewerbeamt), с участием электростанций, а также производителей электрооборудования и машиностроителей, была организована "Группа исследований энергии ветра" (Studiengesellschaft Windenergie, StGW). Группа должна была проводить научную работу, а ЗУБ обязался её финансировать за счёт бизнеса. В 1965 году группа была распущена с замечательной резолюцией (хранится в архиве университета): „Eine Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen ist jedoch für deutsche Verhältnisse nicht vorhanden, auch nicht bei einer Fertigung in großen Stückzahlen.“ "Экономическая эффективность ветряных электростанций, однако, в условиях Германии недостижима, даже при их массовом производстве". Экономика экономикой, а наука сама по себе, окупаемой она быть не обязана, так что, хотя у группы не было экономических достижений, зато были замечательные научные результаты, полученные на опытно-экспериментальной установке StGW 34 (34, это диаметр ротора в метрах, несмотря на чертёж слева). Как несложно догадаться, в работе группы принял самое деятельное участие восстановленный в гражданских правах давнишний наш знакомый У. Хюттер.
Установка была построена в 1957 году. Характеристики её в литературе приводятся без привязки к точной дате, что представляется мне опрометчивым. Как пример уже было приведено несоответствие диаметра ротора в названии машины и в её чертеже. Возможно, в названии фигурирует эффективный диаметр, с учётом наклона ротора к вертикали, но, скорее, всё обстояло намного проще; проект и его реализация менялись со временем, ведь это была студенческая работа со всеми вытекающими. Есть и ещё одна причина, почему я ограничусь чертежом. Резолюция не охладила рвения Хюттера, он продолжал мастерить свои поделки, без описания некоторых из них не обойтись в дальнейшем, и это при том, что все они продолжают линию StGW 34. Здесь достаточно будет указать только на те новшества, которые оставили StGW 34 в истории ветроэнергетики.
StGW 34 в натуре.
В сочинениях графа Толстого есть басня о том, как умирающий отец призвал своих многочисленных сыновей и велел им разломать пополам веник. Когда у них ничего из этого не вышло, он посоветовал им развязать веник и переломать каждый прутик по отдельности. Можно ли после этого назвать Льва Николаевича отцом-основателем композитных материалов? Почему бы и нет, для хорошего человека ничего не жалко; всё зависит от того, какую историю мы собираемся написать, ведь композитные материалы стары как мир. Обычно в качестве древнейшего примера их приводят саманные кирпичи, но даже они не были первыми. Уже переход от палеолита к неолиту сопровождался появлением композитов. Новшества в каменных изделиях, так называемые микролиты, указывающие на начало неолита, объясняются тем обстоятельством, что люди стали производить орудия из различных материалов, склеивая их друг с другом в единое целое. В неолите же появляется керамика, тоже пример композита. Если мы записываем историю ветроэнергетики, то нам важно понять где, кем, когда и почему композитные материалы были внедрены в производство ветряков. Если на первые три вопроса есть исчерпывающий и точный ответ, то с последним не всё так ясно, хотя он и определяет первые три.
На предыдущих страницах мы выяснили, что для снижения стоимости электричества из ветра нужно строить ветряки как можно больших размеров. Уже первые опыты в гигантизме показали, что перед строителями встаёт пугающая задача усталости материала, вызванная большими циклическими нагрузками на ветряк со стороны ветра. Путнам своей работой доказал, что сталь для ротора большого ветряка совершенно точно не подходит. Дело не в том, что она непрочная, ещё какая прочная, но она ещё и тяжёлая. Если нам необходимо увеличить прочность стальной лопасти, то мы должны её утолстить, но утолщая её мы увеличиваем также и её массу. В то время как масса лопасти создаёт нагрузку на ось ротора и на всю остальную конструкцию. Мы попадаем в такую ситуацию, когда наши попытки увеличить прочность конструкции только снижают её, потому что нагрузка от массы растёт быстрее, чем увеличивается прочность. Ровно в такую же ситуацию попали авиастроители, когда дерево перестало удовлетворять их запросам, а самым ходовым конструкционным материалом была сталь. Было бы заманчиво использовать её для строительства самолётов, но она, увы, не летала. В качестве аттракциона можно и дирижабль из свинца сделать, как показали "Разрушители мифов", но на практике стальной самолёт очень плох.
Первое время самолёты строили из дерева, как и ветряные мельницы. Потом захотелось большего и конструкцию усилили стальными элементами. Так первый флагман "Аэрофлота", самолёт К-5 (созданный на основе Dornier Komet), имел каркас из стальных труб, обшитый деревом, фанерой, дюралем, полотном. В самолёте использовалась проволока, целлулоид, резина и прочая конопатка, лишь бы снизить вес где только можно. Примерно так же была устроена мельница Гедсера. Затем настала эра "крылатого металла" -- алюминия. Его мы тоже видели у ветростроителей, на мельнице Ножан-лё-Руа. Когда авиастроителей перестал устраивать алюминий, они обратились к титану. Теперь переходят к композитам, но это теперь, а в 50-х годах прошлого века алюминию альтернативы не было.
Откуда Хюттер взял идею использовать композитный материал, а именно армированный пластик, можно прочесть в книге "Крылья из чёрного золота" (Flügel aus „Schwarzem Gold“) доктора Андреаса Хака (Andreas Haka) из университета Штутгарта. Армировать пластик искусственным волокном начали в тридцатых годах прошлого века, и сразу стало ясно, что у такого материала большие перспективы в авиации, но дальше разговоров дело почти не двигалось. Даже импортозамещение не помогало. Мешало несовершенство технологий. После войны разработки в области новейших авиационных материалов в западной оккупационной зоне Германии и вовсе оказались под запретом. Но нашлась лазейка -- исследования материалов продолжились под нейтральными заголовками и нацеленные на отличные от авиации применения. Запрет продержался до 1955 года. В Штутгарте в 1953 году министерством экономики земли Баден-Вюртемберг была организована "Группа вертолётных исследований" (Studiengemeinschaft Hubschrauber, StGH). В 1958 году из группы выделился отдел "Прикладная физика полёта" под руководством партайгеноссе Хюттера. В 1959 году министерство обороны поручило отделу разработку миниатюрного вертолёта, который должен был состоять в основном из пластика. Теперь, если вспомнить в каком году состоялся StGW 34, то несложно понять, зачем он проектировался и почему был так безжалостно брошен.
Хюттер и отлитая им лопасть.
Становятся также понятны некоторые черты, свойственные StGW 34, и появление которых непросто объяснить иначе. Во-первых, лопасти ветряка были сделаны из армированного пластика. Никакой нужды, кроме как испытать новый материал в экстремальных условиях, для этого не было. Куда более доступный дюраль вполне бы подошёл, Романи доказал это на практике. Во-вторых, ротор был сделан двухлопастным, в то время как предыдущий ветряк Хюттера был трёхлопастным. Такой переход привёл к увеличению скорости вращения ротора. Более того, Хюттер намеренно стремился как можно больше увеличить скорость вращения ротора, и утончал лопасти. Некоторые авторы пишут, что тем самым он стремился к совершенству, к повышению эффективности ротора, но ему достаточно было вернуть третью лопасть и получить эффект, недостижимый его увёртками с тонкими лопастями. Не стремился ли он к скоростям вертолётного винта? В-третьих, это башня. Она кургузая, на растяжках, из-за которых ось ротора имеет большой наклон, градусов 15, если не больше. Неужели нельзя было построить нормальную башню? В 1956 году в Штутгарте построили телебашню, прототип Останкинской, а тут-то многого не надо было. Юуль и Романи смогли вертикально ротор поставить, а Хюттеру-то что мешало?
На семинаре НАСА в 1973 году Хюттер оправдывал низкий рост своей башни тем обстоятельством, что скорость ветра растёт с высотой медленно, в степени 1/7, соответственно мощность будет расти в степени 3/7, поэтому целесообразно увеличивать диаметр ротора, мощность от которого зависит квадратично. Увеличивать и то, и другое одновременно он не считал допустимым, надо понимать. Он призывал беречь башню, ведь если разрушится ротор, то башня останется, но если разрушится башня, то не останется ничего. Поэтому, говорил Хюттер, предпочтительным является заветренное расположение ротора, когда возмущения от башни ударяют по ротору, а не наоборот. Вспоминая ветряк на острове Богё, предупредительные меры не выглядят излишними, но тот же ветряк показывает, что меры эти не так страшны и весьма эффективны. Ко времени семинара башня на Богё уже тридцать лет как отстояла и не думала разрушаться, как и теперь, на восьмом десятке.
Но если принять, что устанавливая свой ветряк боком на короткой башне, Хюттер стремился к созданию неоднородной нагрузки на ротор, то тогда всё правильно. Уже только по причине наклона к горизонту и конусности ротора лопасть в верхнем положении испытывает нагрузку на 15% больше, чем в нижнем. Ведь в верхнем положении лопасть перпендикулярна к ветру, а в нижнем она находится под углом к нему в 60 градусов. С учётом высотной неравномерности (у поверхности она особенно велика) разница в нагрузке будет ещё больше. Такое преднамеренное ухудшение условий работы ротора на пустом месте вполне могло бы быть предназначено для моделирования условий, в которых находится винт вертолёта, совершающего маневр.
Всё это напоминает мне немецкий анекдот постверсальского времени. Один рабочий устроился на завод по производству детских колясок. Жена его была беременна, и, вот, поскольку молодая семья была стеснена в средствах, рабочий решил украсть коляску с завода. Коляску он вынес по частям, когда же стал их собирать, то как не пытался, у него все равно вместо коляски получался пулемёт. Не знаю, пригодился ли пулемёт рабочему, но придумка Хюттера сделать лопасть из армированного пластика оказалась востребованной, правда ждать до того времени пришлось много лет, до тех пор пока для появления пластиковых лопастей действительно созрели условия. Додумались ли бы до них без участия Хюттера? У меня нет в том сомнений, хотя, вероятно, чуть позже, чем было на самом деле.
Крепление Хюттера.
Тогда же Хюттер делает ещё одно долгоживущее изобретение, которое до сих пор носит его имя, не вполне заслуженно, кстати. Это изобретение -- крепление пластиковой лопасти к металлической оси турбины. Жёсткое контактное соединение между двумя деталями, сделанными из разнородных материалов, всегда большая проблема. Разные материалы всегда ведут себя хоть немного, но по-разному. Это касается и теплового расширения, и модуля упругости, поэтому такие детали по-разному деформируются, так что контактная поверхность в один момент времени будет отличаться от таковой в другой, что породит напряжения в месте контакта, могущие иметь самые неприятные последствия вплоть до разрушения контакта. В общем-то, это банальность, с которой наверняка почти все сталкивались в быту. Проблемой уже является установление соединения как такового, клей не держит, а сварка невозможна. Механическое же крепление, сшивка, только усиливает напряжения в контактной зоне. В наше время дошло до того, что создана технология 3D-печати, при которой деталь печатается из двух материалов с постепенным изменением концентрации материалов в сплаве, так что один конец детали состоит из одного материала, а другой из другого. Но армированный пластик пока не научились печатать на принтере. Я разумно говорю "пока".
Крепление Хюттера представляет собой фланцевое соединение на шпильках. От обычного оно отличается разве что отсутствием прокладки между фланцами. Прокладку делают из пластичного материала, здесь же один из материалов сам по себе пластик, поэтому он дополнительно выполняет роль прокладки. Хитрость была в том, чтобы правильно ввинтить шпильки в лопасть. Так, как это показано на чертеже Хюттера слева, никто теперь не делает. Решение связать шпильки с армирующим волокном оказалось неудачным. Теперь шпильки вставляют в отверстия в толстых стенках цилиндрического основания лопасти, закрепляя их гайками внутри, помещёнными туда через вспомогательные отверстия. Примерно как на четвёртой минуте этого видео:
Примерно потому, что у каждой фирмы своя технология. Прогресс не стоит на месте. Хотя какие-то вещи остаются неизменными, как лопасть Хюттера.
Как хотел крепить болты Хюттер, я в точности не знаю, патента он не защищал, видимо ещё и потому, что из его затеи ничего хорошего не получилось, а патентовать обычное фланцевое соединение задача не из простых. Судя по рисунку, предполагалось помещать болты в лопасть в процессе изготовления. Каждый болт должна была охватывать направляющая нить (Strang-Führung), нить-фюрер армирующего волокна, по которой изгибные и прочие напряжения передавались бы на болт. Тем самым напряжения уходили бы из зоны контакта, распределяясь по телу лопасти и болту, который многое может выдержать. Проблемы возникли с точной установкой болта, он перекашивался, а косой болт во фланцевом соединении сам по себе концентратор. Вообще, проблемы в изготовлении деталей из армированного пластика сводились к большим отклонениям размеров готовых изделий от чертёжных. Большие были допуски и посадки.
Настоящее соединение устроено проще. Контакт осуществляется через тело болта, который испытывает деформацию. Поскольку перемещения малые, то деформация упругая. Стержень может выдержать практически неограниченное количество циклов такой деформации, благодаря своей простой и совершенной форме, в первую очередь. Отверстия выполняются в уже готовом изделии из пластика, поэтому их позиции точно соответствуют чертёжным. Цилиндрическая форма фланца способствует равномерному распределению нагрузки по болтам. Тут самое главное -- геометрическая простота, в хорошем смысле слова.
Что же касается авиационного применения армированных пластиков, то единственной сферой, в которой они смогли прижиться в то время (50-60-ые годы), стали безмоторные планеры. Германии планеризм был популярен ещё со времён Версальского договора, который запретил моторизованный авиационный спорт. Планеры было можно, как и ветряки.
Ветряк острова Богё, фото F.L.Smidth & Co, без разрешения
Утром 9-го апреля 1940 года, по пути в Норвегию, Германия оккупировала Данию. Одним из последствий оккупации стала нехватка в Дании ископаемого топлива; угля и нефти. Вновь, как и в первую мировую войну, в ход пошли подзабытые уже ветряки. Делала их, в основном, компания Lykkegaard, последовательный продолжатель дела Поля Ля Кура. Её мельницы были примерно всё те же, что и в начале века. Помимо неё существовали просто кустари, но среди них было и одно счастливое исключение -- компания F.L.Smidth & Co из Копенгагена. До войны фирма специализировалась на машинах для цементной промышленности, но бизнес её бурно развивался, компания создавала и приобретала различные подразделения и филиалы. Среди них была маленькая авиационная фабрика Skandinavisk Aero Industri (SAI). С её помощью уже в августе 1940 года создаётся первый опытный ветряк с двумя лопастями. Затем появляется вариант с тремя лопастями. За время войны фирма произвела два десятка различных ветряков. Некоторые из них дослужили до 60-х годов. Годовая выработка лучших образцов достигала примерно сотни мегаватт-часов. Их отличительными чертами были роторы с обтекаемыми лопастями из дерева и бетонные башни. Видимые на снимке слева треугольные рёбра жёсткости на всю высоту башни не случайные, их появление было вызвано необходимостью погасить колебания, вызванные взаимодействием струй воздуха от ротора с башней. Первый экземпляр башни от этих колебаний потрескался.
Как утверждают краеведы острова Богё (Bogø), расположенного на самом дальнем востоке датского архипелага, ветряк такой системы появился у них в 1942 году. Машина выглядела необычно, но на самом деле она состояла из уже опробованных в деле элементов. За исключением, разве что, бетонной башни, которая явилась подлинным новаторством со стороны FLS. Впрочем, башня уже тоже имела опыт, из-за чего к ней добавили рёбра. Подветренное расположение ротора и генератор постоянного тока были позаимствованы из ветряков Поля Ла Кура. Обтекаемые лопасти с растяжками взяты от мельницы Agricco. Сами лопасти "самолётного" дизайна от SAI. Внешне ветряк сильно напоминает современные ветрогенераторы, но это такой анахронизм, прямой преемственности между ними нет. Поэтому о ветряке острова Богё редко вспоминают историографы, он плохо вписывается в лестницу прогресса из-за своего модернового вида. До нашего времени от него уцелела одна только башня (где-то в музее хранится механизм одного из ветряков FLS). В 2015 году жители Богё обсуждали план покрасить серые бока башни в весёленькую расцветочку, а на первом этаже обустроить музей, но не знаю, чем дело кончилось. Вообще-то, в этом музее есть что показать, ведь ветряк острова Богё послужил музой для одного очень важного ветростроителя.
Датский инженер-электрик Йоханнес Юуль (Johannes Juul) родился в 1887 году в семье последователей учения Грундтвига. Электротехникой заинтересовался с подросткового возраста, родители его интерес поощряли. В 17 лет прошёл четырёхмесячный курс обучения в народной школе Аскова, у Поля Ла Кура. Сохранилась фотография их курса (на фоне ветряной мельницы). В 1914 году Йоханнес получил диплом электрика после обучения в Копенгагене, после чего взял кредит в банке и организовал свою мастерскую. Одним из его заказчиков была SEAS (Sydsjællands Elektricitets Aktieselskab), электрораспределительная компания Южной Зеландии (старой, не Новой), они приобрели у него кое-что из высоковольтного оборудования -- держатели с изоляторами, переключатели. Йоханнес заработал хорошую репутацию, открыл магазинчик, обзавёлся семьёй. В 1929 году он берётся за проект по модернизации бытовых электроплит. Ему удалось довести их до ума, и в 1934 году он продаёт свой патент на плиту одной датской компании, а затем и ряду европейских. Начавшаяся война не позволила развернуть производство, но после войны его плиты удерживали рынок вплоть до конца 50-х годов.
Плакат плана Маршалла. Надеюсь, что вы узнали машину и поняли намёк.
Послевоенное восстановление Европы включало в себя так называемый план Маршалла, финансовую и технологическую помощь США в обмен на некоторые торговые и другие преференции. Этой возможностью воспользовалась SEAS для финансирования своего проекта создания эффективной ветряной электростанции. Техническое руководство проектом было возложено на Йоханнеса Юуля. В 1947 году ему уже исполнилось 60 лет, тем не менее, он возвращается к делу своей юности и возобновляет опыты с аэродинамической трубой Поля Ла Кура. Разумеется, установка была уже другой, постройки SEAS. К 1950 году эксперименты с профилями лопастей заканчиваются, и Юуль приступает к натурным испытаниям на острове Богё, где SEAS приобрела тот самый ветряк производства FLS. Юуль оставляет от него башню, а наверху помещает ветряк своей собственной разработки. Вероятно также не без влияния прототипа он отказывается от ранее принятого заветренного расположения ротора, делает его подветренным, и устанавливает на лопасти растяжки. Так что, некоторая преемственность его ветряка с прежним соблюдается. Что, несомненно, разумно -- за годы эксплуатации конструкция продемонстрировала свою добротность. К семидесятилетию Юуля, в 1957 году проектные работы заканчиваются установкой полностью нового ветряка в паре десятков километров к югу от Богё, на соседнем с ним острове Фальстер (Falster), неподалёку от деревни Гедсер (Gedser). Под именем мельницы Гедсера он и вошёл в датский культурный канон (Kulturkanonen), официальный список самых выдающихся достижений датчан за все времена, датское "наше всё". На сегодняшний момент в списке всего 108 позиций: произведения живописи, музыки, литературы, кино... и мельница Гедсера.
Мельница Гедсера, aka маслобойня.
Чем так примечательна эта мельница, сразу не скажешь, да и незачем, поскольку к ней ещё придётся вернуться. Начну с принципиального новшества, привнесённого Юулем как электриком. Вместо прежнего генератора постоянного тока он установил асинхронный генератор тока переменного и подключил его к распределительной сети. Для человека, далёкого от электротехники, эти слова ни о чём не говорят, в то время как ход Юуля был очень изобретательный. Асинхронная электрическая машина, подключённая к сети переменного тока, обладает замечательным качеством; пока её ротор вращается с частотой, меньше так называемой синхронной (кратной частоте сети), она работает как электромотор, превращая электрический ток во вращающий момент на валу, а когда частота вращения превзойдёт этот рубеж, машина превратится в генератор, выдавая обратно в сеть электрический ток за счёт торможения ротора. Обратимой является также и синхронная машина, но для её работы в сети с постоянной частотой тока требуется постоянная же скорость вращения ротора, отступление от этого правила приводит к перегрузке всей системы. Романи так сжёг свой синхронный генератор. Так как для асинхронного генератора не нужно контролировать скорость вращения ротора, то лопасти удалось сделать неподвижными, что не только упростило их конструкцию, но и добавило ей надёжности.
Раскрутиться ротору до опасных скоростей не позволяли два обстоятельства. Во-первых, при большой скорости ветра вступал в действие так называемый аэродинамический подхват (blade stall). Это явление происходит при большом угле атаки, когда воздух отрывается от выпуклой части аэродинамического профиля, что снижает подъёмную силу. В случае с самолётом снижение подъёмной силы приводит к падению самолёта, а ротор ветряка просто получает меньший вращающий момент. Такую же систему имел и ветряк Романи, но её недостаточно, поскольку ротор будет вращаться и при полном отрыве. Помнится, объяснение причины вращения ветряка началось без использования понятия подъёмной силы вовсе, а ветряные мельницы прекрасно работали без обтекаемых крыльев. Аэродинамический подхват был пассивной мерой безопасности, как можно сказать, используя современные автомобильные термины.
Вторым, активным элементом безопасности, были воздушные тормоза, установленные на кончиках лопастей. Кончики могли поворачиваться вокруг оси, становясь поперёк потока воздуха, тормозя тем самым ротор. Это решение похоже на то, к которому пришли Сабинин с Красовским, но их система была намного сложнее, потому что им нужно было контролировать скорость ротора.
Благодаря этим двум предосторожностям мельнице не был страшен сильный ветер (бетонная башня тоже придавала крепкости конструкции). Удачно подогнанные параметры ротора и генератора позволяли получать электроэнергию в большом диапазоне скорости ветра. Номинальная мощность генератора составляла 200 кВт при диаметре ротора в 24 метра. Лопасти были деревянными, со стальным каркасом. Средняя годовая выработка мельницы составляла 350 мегаватт-часов.
Мельница Гедсера проработала до 1967 года. Конечно, машина была далека от совершенства. В культурном каноне можно прочесть о том, что местные крестьяне прозвали её "маслобойней". В её механизме случались утечки смазочного масла, а ротор разносил его по окрестным полям, за что крестьяне получали компенсацию. Электричество, которое она давала, было слишком дорогим. Но мельница работала, действительно работала, одиннадцать лет в общем счёте, и это было огромным достижением по тем временам. Что же касается Йоханнеса Юуля, то он ушёл из жизни в 1969 году, вскоре после того, как остановилось его творение. Мельницу вновь запустили в 1977 году, она опять заработала, хотя и ненадолго, но это уже другая история. Теперь её ротор с механизмами хранится в Энергетическом музее (Energimuseet) в городе Виборге (Viborg, не наш Выборг). Зато её бетонная башня стоит на прежнем месте, только на неё надели современный ветряк. Фирма F.L.Smidth тоже процветает, как и прежде занимается цементными делами. Ветряков больше не строит, но об истории своей помнит. В 1973 году она вновь предложила проект оригинального ветряка, одним из главных элементов которого была бетонная башня. Проекту хода не дали.
Сообщения
Ротор
