Мал да удал

Ветрогенератор Бергея, из патента US 4,291,235.

Ошеломительный поток датских ветряков в Америку потеснил местных производителей, которые, как мы помним, вышли на массовый рынок не позже датчан. Однако, устремления американцев не простирались широко, они работали исключительно на фермеров и прочих маленьких и одиноких потребителей. Распределительные сети, большая энергетика, всё это громадьё им было не нужно, поэтому они оказались не готовы к лихорадке в Калифорнии, хотя и пытались составить конкуренцию. Тем более им показалось обидным, когда датчане своим фактическим провалом заодно бросили тень и на них, добросовестных производителей ветряных мельниц, которые к восьмидесятым годам прошлого века добились совершенства конструкций своих пусть и маленьких, зато работящих машин.

Ветряк, который совершенно необходимо здесь описать, крайне редко встречается в исторических обзорах, только разве что в очень узкоспециальных и то мельком (на сайте "Ветер перемен", например, ему уделено пара строк и фотографий). И это при том, что его модификации, не сильно ушедшие в сторону от прототипа, до сих пор выпускаются всё той же фирмой "Бергей" (Bergey wind power). Впрочем, может быть, именно поэтому его и не вспоминают, ибо не история, а современность. Новейшая история тяжела в изложении; ещё живы очевидцы, ещё не все награды розданы непричастным и не все невиновные наказаны. Приходится описывать то, что есть, а не то, что рассказывают. Конструкция ветряка Бергея, выдержавшая проверку временем, содержит в себе два изобретения, что представляют собой новейшую струю ветроэнергетики, в которую даже ещё не все ведущие мировые производители успели влиться .

У фирмы два основателя -- Карл и Майк Бергей (Karl Bergey&Mike Bergey). Карл прославился как конструктор легкомоторной авиации, Майк же больше специализировался по ветроэнергетике, но их совместная фирма начинается с патента Карла, в котором тот описал свою ветряную мельницу. Как именно у них это всё происходило, мне неизвестно, люди они, похоже, не очень публичные, непонятно даже, родственники ли они друг другу, или же просто однофамильцы. Изобретение было впервые опубликовано в журнале Wind Power Digest весной 1978 года, американский же патент на него за номером 4,291,235 -- в сентябре 1981 года. Первый рабочий экземпляр турбины, соответствующей патенту, закрутился ещё до его публикации, в 1980 году, а в 1983 году начался серийный выпуск 10-киловаттной машины Bergey Excel, ставшей флагманом фирмы. Уже в первые несколько лет фирма продала сотни её экземпляров.

Генератор, рисунок из патента.

Первое изобретение касалось генератора. Вал ротора (рисунок в начале поста) неподвижен, вопреки обыкновению. Вокруг него вращается насадка с лопастями и ротором генератора, который здесь внешний, а не внутренний как в большинстве генераторов. Внешнее кольцо ротора генератора (рисунок слева) составлено из двенадцати постоянных магнитов с полюсами в шахматном порядке, направленными к валу-статору, находящемуся внутри кольца магнитов. На валу установлены катушки, в которых индуцируется электрический ток, когда мимо них проходят магниты. Магнитное поле в катушке меняет своё направление двенадцать раз за один оборот ротора. В общем-то, пред нами вполне рядовой генератор на постоянных магнитах. Новация здесь в том, что он установлен на валу ветряной турбины. Не поручусь, что генератор на постоянных магнитах никогда прежде не устанавливался на ветряную турбину, но вот чтобы так, запросто, без редуктора -- никогда. Сбылась вековая мечта ветроэнергетиков, из ветрогенератора за ненадобностью был выброшен редуктор.

Хоннеф мечтал реализовать безредукторную схему на ободе ветроколеса большого диаметра, но она оказалась возможной на валу ветряка малой мощности. В чём же дело? В электронике. К середине 70-х годов прошлого века она достигла больших высот, уже компьютеры управляли ветряными мельницами. В "Икселе" обошлось без компьютера, востребованным оказалось другое достижение -- появились и стали недорогими полупроводниковые приборы, способные работать с токами большой мощности. Эти приборы были нужны, чтобы преобразовывать "дикий" ток (wild AC) с генератора в удобоваримый переменный ток постоянной частоты. "Диким" ток получался из-за того, что ротор ветряка вращался с переменной скоростью, переменной была и частота выдаваемого генератором напряжения. "Дикий" ток вначале нужно было выпрямить, а затем преобразовать в переменный ток фиксированной частоты. Без мощных полупроводников это было сделать крайне затруднительно. Похожую схему использовали в Твинд, но там от безысходности, ведь твиндовцам приходилось собирать запчасти к ветряку на помойке. Бергей же выбрал "дикий" ток сознательно и отказался от редуктора, а заодно и от токосъёмников, поскольку катушки располагались на неподвижном статоре.

Генераторы постоянного тока использовались ещё в первых ветрогенераторах, но, во-первых, генерируемый ими ток был постоянным только в том плане, что не менял полярность, в остальном же он тоже был диковат, а, во-вторых, ток уходил в аккумулятор, откуда попадал к потребителю тоже в виде постоянного тока. Чтобы преобразовать его в переменный, требовался генератор, который затруднительно собрать без полупроводников так, чтобы избежать больших потерь. Поэтому, по мере повышения мощности ветрогенераторов, конструкторы переходили к генераторам переменного тока, поскольку постоянный ток большой мощности очень неудобен в использовании. Причём, они предпочитали синхронные генераторы, которые требуют постоянной скорости вращения ротора. Асинхронный генератор хотя и может работать на разных скоростях, но у него тоже есть свои недостатки, связанные с необходимостью генерации переменного магнитного поля с частотой сети. В генераторе Бергея магнитное поле создавалось постоянными магнитами (чьё производство к тому времени тоже достигло больших успехов), поэтому поле создавать не требовалось, но расплатой за эту экономию выступала невозможность контролировать частоту выходного тока. Ток получался "диким".

Отказ от фиксации частоты вращения ротора также был сознательным. Бетц с Жуковским лихо вывели максимальную эффективность ветряка, но из их теоремы никак нельзя выяснить, как можно было бы её достичь, и до сих пор тропа к ней указана по большей части опытными, эмпирическими данными. Наиболее важные факторы, влияющие на эффективность ветряка, это форма лопастей и их количество. При одной и той же форме ротора эффективность ветряка будет зависеть от отношения скорости движения конца лопасти к скорости ветра. В англоязычной литературе это соотношение именуется tip speed ratio и обозначается буквой λ, в отечественной (у Е.М.Фатеева, например) называется числом модулей и обозначается буквой Z. Максимальная эффективность ветряка достигается тогда, когда это отношение сохраняется одним и тем же при любой скорости ветра. Опытным путём определено, что для современных трёхлопастных ветряных колёс это отношение примерно равно 7. То есть, конец лопасти должен двигаться со скоростью в семь раз большей, чем скорость ветра, а поскольку скорость ветра меняется, то и скорость вращения ротора должна меняться, если мы хотим достичь максимальной эффективности.

Ротор Бергея, из патента.

Второе изобретение из патента Бергея, это ротор (слева). Его лопасти изготавливаются из гибкого материала (стекловолокна), а на их концах прикрепляются специальные грузы, вынесенные перед входной кромкой. В общем-то, здесь тоже нет ничего особого нового, на первый взгляд. Грузы работают как центробежные регуляторы. Влекомый центробежной силой груз стремится вытянуться вдоль радиуса ветряного колеса, тем самым изгибая лопасть и меняя угол атаки на её конце (к ступице лопасть прикреплена жёстко). Нечто подобное мы видели у Сабинина с Красовским. Автор патента также не считает себя первопроходцем и указывает на пару предшественников, но именно в такой конфигурации ротор ещё нигде не встречался. Бергей перечисляет три полезные функции своего изобретения.

Во-первых, вначале работы турбины лопасти в ненапряжённом состоянии при малом ветре обеспечивают вращательный момент, подходящий для страгивания турбины с места. В покоящемся генераторе постоянные магниты ротора подмагничивают статор, из-за чего ротор со статором как бы слипаются, так что для старта нужно приложить заметное усилие. Затем, по мере возрастания скорости вращения ротора, лопасти изгибаются, закручиваются, обеспечивая оптимальную аэродинамическую эффективность при высоком λ. Во-вторых, когда скорость вращения ротора превысит расчётную, грузы дополнительно выгнут лопасти, что приведёт к отрыву потока и притормаживанию турбины. В-третьих, грузы повышают собственную частоту колебаний лопастей и предотвращают возникновение флаттера.

Ниже небольшое видео об "Икселе", которым лучше предварить выводы о плюсах и минусах ветряка. Поскольку, да...



Видео начинается с того, что ветряк не видно, но слышно. Шум, пожалуй, главный его недостаток, если не считать цены. Источник шума -- концы лопастей и грузы тоже, разумеется, добавлют. Современные модели как-то обходятся без них и шумят вроде меньше. Тем не менее, с широких концов лопастей срываются вихри, они и шумят, заодно снижая аэродинамическую эффективность (которая вряд ли может быть высокой). О цене. На сайте производителя нет прайс-листа, но примерный расчёт, который можно там найти, покопавшись поисковиком, показывает, что прибыль будет получена уже на 26-й год эксплуатации. И эти мельницы действительно столько работают, хотя на ум невольно приходят слова Великого Комбинатора о вечной игле для примуса. В качестве ещё одной ложки дёгтя добавлю, что в современных "Икселах" используются неодимовые магниты, а добыча неодима наносит существенный вред окружающей среде.

В чём же плюсы? Вот как раз в долговечности, как у иглы для примуса. Она же определяется изобретениями, описанными в патенте. Во-первых, нет редуктора, главного источника поломок. Ветряк "Иксел" стал первым безредукторным (gearless), ещё в начале 80-х годов прошлого века. Во-вторых, нет щёток и прочих токосъёмников в генераторе, что также снижает потребность в техобслуживании. В-третьих, гибкие лопасти, которые смягчают удары порывов ветра. В-четвёртых, жёсткое крепление лопасти к ступице. То самое место, где вечно рвётся, в "Икселе" сделано максимально надёжно; из всех напряжений оставлены только растягивающие, да и они приложены к широкой полосе, которую не оторвать. Судя по словам производителя, все случавшиеся с ветрогенератором проблемы сводятся к электронной части, к преобразователю.

Так что, машина получилась спорная, но для своей области удачная.

Назад

К оглавлению

Вперёд