Без шестерёнок

Безредукторный ветряк фирмы EWT,
сходный с Enercon E-40, производится
в наше время (2017 г.), фото автора.

Итак, в 1981 году Эрик Грове-Нильсен продал лопасти Алоису Воббену. Какое-то время Воббен со своим приятелем занимался ветростроительством на любительском уровне, но в 1984 году в городе Аурих (Aurich, ФРГ) он основал специализирующуюся на ветряных турбинах фирму "Энеркон" (Enercon). Ротор E-15/16, первой турбины, выпущенной этой фирмой, не отличался от прочего зоопарка калифорнийского периода: стеклопластиковые, зафиксированные лопасти производства фирмы Aero-Star, 55 кВт мощности. Башня тоже была вполне обычного для того времени ферменного типа, и даже генератор был синхронный. Однако электрика в гондоле изначально устанавливалась совсем иная. Поскольку скорость вращения ротора не фиксировалась, то генератор выдавал "дикий ток", который вначале выпрямлялся, а затем преобразовывался в переменный с постоянной частотой.

Схема уже знакомая нам, и в ту пору её нельзя было признать оптимальной: за счёт усложнения электрооборудования стоимость ветрогенератора возрастала, да и потери на преобразование давали о себе знать. Но как показали дальнейшие события, переменная частота вращения ротора не была ошибкой, но только начальной ступенью к совершенствованию производительности и экономической эффективности ветрогенераторов фирмы "Энеркон". В отличие от своих датских собратьев, немецкий "Энеркон" изначально создавался с опорой, в первую очередь, на собственные разработки, а не на производство. Собственной производственной площадкой "Энеркон" обзавёлся только в 1991 году, а свои лопасти он начал делать в 1993-м, двенадцать лет спустя после покупки первых. Всё это время было потрачено на создание оригинальной принципиальной схемы ветрогенерации.

В 1988 году следующий шаг вперёд сделала турбина E-32/100 кВт. Прогрессом здесь стало не столько увеличение мощности, сколько поворотные лопасти. Турбина имела не только переменную скорость вращения, но и переменный угол атаки лопастей, что позволяло повысить её эффективность. С неё началась подготовка к штурму следующего рубежа, взятого в 1993 году. К этому времени у "Энеркона" уже был полный цикл производства и совершенно оригинальная турбина, отличительными особенностями которой были переменная скорость вращения и поворотные лопасти, а также отсутствие редуктора.

К тому времени ветростроители уже пришли к созданию долговечных лопастей; оболочек из армированного пластика с фланцевым креплением к ступице ротора, но редуктора оставались их головной болью. Основная часть эксплуатационных затрат приходилась на их ремонт и техническое обслуживание. Проблема стала настолько серьёзной, что в очередной раз послужила причиной разговоров о бесперспективности ветроэнергетики. На своём новом ветрогенераторе E-40 "Энеркон" использовал решение, уже испробованное на малых турбинах фирмы "Бергей" ещё за десять лет до того. Но тут был совсем иной масштаб, иная сложность техники. 500 киловатт, рубеж между средней и большой мощностью, регулируемый ротор, ничего этого никогда не было у "Бергея" ни до, ни после.

Механизм турбины E-40, из рекламного проспекта.

"Энеркон" разработал для новой турбины специальный кольцевой генератор (см. картинку вверху). В нём можно найти отражение идеи Хоннефа: если нет возможности заставить ротор крутиться быстрее, тогда нужно увеличить его диаметр, и катушки ротора и статора будут быстрее двигаться относительно друг друга. Только Хоннеф хотел совместить ротор турбины с ротором генератора, а в "Энерконе" генератор разместили параллельно ротору турбины, что позволило сделать его меньшего размера -- всего четыре метра, одна десятая диаметра ветряного колеса. Тем не менее, даже четырёхметровый генератор значительно вышел за пределы ступицы, что обусловило необычный вид гондолы с кольцеобразным утолщением. Имея 84 полюса и при минимальной скорости вращения ветряного колеса в 18 об/мин, генератор обеспечивал необходимую ЭДС при разумных размерах катушек.

В последующем, по мере того как росли размеры новых турбин, кольцо генератора удалось полностью уместить внутри гондолы. Поэтому, несмотря на то, что гондолы современных ветряков "Энеркон" выглядят иначе, внутри них такие же кольцеобразные генераторы. Разумеется, изготовление столь необычного генератора требует и ноухау, и соответствующих производственных мощностей, которых у других ветростроителей не было в то время. В рекламе турбина E-40 называлась "Die technische Sensation",  "revolutionär", что, несомненно, имело под собой все основания. Однако, конкуренты не торопились воспроизводить схему "Энеркона", несмотря на то, что она не была запатентована. Помимо прочих сложностей они, надо понимать, сомневались в другом рекламном лозунге: "unglaublich wirtschaftlich" (невероятно экономично). Прошли долгие годы, прежде чем они смогли убедиться в его правоте. Ну, а пока "Энеркон" завоёвывал немецкий рынок, где стал не просто лидером, но даже чуть ли не монополистом. Благо как раз в 1993 году в Германии началась своя госпрограмма на 250 МВт ветряных мощностей (по данным МЭА, к октябрю 1993 года в стране было установлено 158,6 МВт). Теперь все эти цифры звучат смешно, конечно.

Остальные характеристики ветряка были следующие:

Ротор

• Диаметр 40 метров
• 3 лопасти
• скорость вращения 18-34 об/мин
• регулировка угла атаки
• высота оси 40-44 метра
• встроенный громоотвод в каждой лопасти



Enercon E-40

• наветренное расположение

Редуктор

• отсутствует

Генератор

• кольцевой
• 500 кВт активной мощности

Гондола

• активное управление курсовым углом
• демпфирующий подшипник скольжения

Башня

• бетонная/стальная труба 
• высота 40-44 метра
• лестница для персонала

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 2,5 м/с
• номинальная скорость ветра 13 м/с
• максимальная скорость ветра 25 м/с

Кривая мощности E-50, из рекламного проспекта.

Среди вышеперечисленных характеристик следует отметить очень низкую стартовую скорость. Слабый ветер даёт существенно меньший выход электричества, чем сильный, из-за кубической зависимости от скорости ветра. Поэтому турбины, как правило, оптимизировали на сильный ветер, первые датские не работали на ветре меньше 5 м/c вовсе. Для местности с сильными ветрами такой режим работы вполне оправдан; не так много можно потерять из-за простоев, чем из-за неоптимальной работы ротора на сильном ветре. Но сильный ветер част не везде, и в таких местах простои из-за штиля делают ветряк бесполезным, однако и на сильном ветре терять не хочется. Низкая стартовая скорость E-40 обеспечивалась поворотным механизмом лопастей, устанавливавшим лопасть в положение с максимальным вращающим моментом для текущей скорости ветра. Отсутствие редуктора также сыграло свою роль -- трение в шестерёнках увеличивает усилие страгивания (проворачивание из неподвижного состояния). 

Другой важный момент -- наличие громоотвода, гарантированно предотвращающего повреждение электроники. Е-40 был напичкан электронным оборудованием, у каждой турбины был свой компьютер, не только управляющей работой, но и собирающий информацию о состоянии различных узлов, анализирующий её и выдающий предупреждение в случае грозящей неисправности, т.е., осуществляющий автоматический мониторинг машины. Разумеется, жаль было терять всё это хозяйство при первой же грозе, а так уже происходило на других турбинах неоднократно, как прежде здесь сообщалось.

Ожидаемая годовая выработка (МВт-ч/год)
в зависимости от скорости ветра (м/c),
из рекламного проспекта.

Ещё из рекламы того времени: производитель обещает, что за четыре -- шесть месяцев работы (в зависимости от местности) ветрогенератор произведёт такое же количество электричества, какое было потрачено на его собственное изготовление, включая строительство фундамента (фундаменты предлагались свайные и дисковые). Если посмотреть на график вверху, то это примерно 0,5 млн. кВт-ч, вполне разумная величина. За весь же срок службы (примерно 20 лет), он произведёт в 48 раз больше. Реклама, как показала практика, была недалека от истины.

И в заключение два фильма. Минутный о ветропарке этих машин. Турбины в нём четырнадцати- и шестнадцатилетнего возраста.

И двадцатиминутный на немецком языке. Показано внутреннее устройство и производственный процесс.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Лучшее общество то, где только бройлер не имеет претензий. 

Уходим в море

Судно "Фрам" Ф. Нансена,
март 1894 года.

Существуют различные мнения о том, что считать началом выхода ветроэнерегетики в море. Некоторые указывают на норвежского полярного исследователя Фритьофа Нансена, который ещё в 1893 году установил на своём судне "Фрам" ветрогенератор. Электричество на "Фраме" использовалось для дуговых ламп; команда нуждалась в освещении в сумрачных полярных широтах. Ветряк отработал две полярные зимы на зажатом во льдах судне. Безумно храбрая экспедиция несомненно обошлась бы и без него, взяв на борт дополнительный груз керосина, но как это было в духе Нансена! Отправиться в путешествие заперев себя в ледяной ловушке, не зная наверняка сколько лет продлится путешествие, мог только человек с очень необычным мышлением. В тоже время, нельзя не отметить, что именно такие люди увлекались ветряными машинами. Первенство Нансена в морской энергетике оспаривается на том основании, что "Фрам", вытесненный льдами из моря, скорее был на суше, чем в воде, поэтому его ветрогенератор наземный.

Следующим в очереди на первенство отмечен проект плавучего ветрогенератора Хоннефа, созданный в тридцатых годах прошлого века. О нём уже говорилось и добавить нечего, можно только повторить, что проект этот так никогда и не был осуществлён, а потому не считается.

Далее соревнование переходит к известной нам фирме F.L.Smidth & Co. Она и здесь успела отметиться. Во время второй мировой войны один из её ветряков был установлен непосредственно в море, правда, всего в нескольких метрах от береговой линии, не ради моря как такого, но просто из-за нехватки места на берегу. В Дании вообще не так много разницы между сушей и морем, особенно во время дождя. У этого ветряка хорошие шансы на победу, но, к сожалению, о нём мало что известно.

Ближе к нашему времени относятся упражнения доктора Хюттера. В 1958 году он разместил один из своих малых ветряков WE-10 на нефтяной платформе вблизи Мексики. В ходе испытаний исследовались ветряные ресурсы моря. Как и ожидалось, ветер в море оказался сильнее, чем на суше. По мнению многих историографов, именно это событие является началом использования ресурса морского ветра. Тут я не могу согласиться, поскольку использования никакого не было, одни только эксперименты. И, кстати, тогда отнюдь не в первый раз ветряк появился на нефтяной платформе. Ещё Красовский в двадцатых годах установил ветряк для бакинских промыслов. Правда о нём вообще ничего неизвестно, даже то, был ли он оснащён генератором, либо использовался как механический привод для насоса.

В конце концов, вопрос о приоритете не так важен. Тем более что теперь никому из вышеперечисленных медаль уже вручишь. В наши дни ветряные ресурсы моря используются морскими ветропарками (offshore wind farm), поэтому правильно будет упомянуть первый из них. Он был развёрнут в проливе Каттегат, отделяющем Ютландию от Скандинавии, в паре километров от северо-восточного берега острова Лолланн (Lolland) в 1990-91 гг. и получил говорящее название Виндеби (Vindeby), "Ветряная деревня". Парк был оплачен датской электросетевой компанией Ekraft (ныне часть DONG) и состоял из 11 турбин производства фирмы "Бонус".

Среднегодовая скорость ветра на высоте 10 м над площадками типа аэропорта.

Ветряной ресурс морей превосходит наземный в среднем примерно на пару м/с, в чём можно убедиться, взглянув на карту вверху. Тому есть две причины. Во-первых, это рельеф, на море ветер беспрепятственно разгоняется, в то время как пересечённая поверхность запутывает его, турбулизирует, а то и просто запирает в ловушках. На скорость ветра в приземных слоях влияют даже небольшие неровности вроде деревьев и сельских домов. Мы же помним, что слой воздуха, непосредственно примыкающий к поверхности, вообще никуда не движется относительно её. Скорость потока увеличивается по мере отдаления от поверхности, а её рост существенно зависит от шероховатости поверхности. Впрочем, ветер не всегда тормозится рельефом, он напротив может им разгоняться, как это происходит в долинах Калифорнии. На карте видно, что даже в океане, омывающем берега Калифорнии, ветер не очень силён, но среди холмов можно подобрать ветреные места, на карте неуказанные, поскольку она такие особые участки игнорирует. В таких местах сильна и турбулентность тоже, но за всё надо платить. Во-вторых, главные источники ветров, тёплые морские течения расположены в морях, как это ни странно. Теплые течения из низких широт перемещаются в высокие, где нагревают холодный воздух, он расширяется, и получается ветер. На карте места, где тёплые течения проникают в зоны с холодным воздухом, хорошо заметны по окраске. Малиновое пятно между Гренландией и Великобританией, например, есть то самое место, куда проникает Гольфстрим и где рождаются "атлантические циклоны".

Однако, это отступление в область ветроразведки сделано только по оказии, к ветропарку Виндеби оно не особенно относится. Выйти в море датчан заставило не соображение бОльшей продуктивности, а нехватка места. На карте пролив Каттегат, окружённый со всех сторон сушей, попадает в жёлто-зелёную зону, как и вся остальная Дания. Как уже было сказано, море и суша в этой стране мало отличаются друг от друга; глубина пролива в районе Виндеби всего несколько метров, как и высота окружающей его суши. Хотя за счёт водной глади ветер в проливе чуть сильней. Недостаток места для ветряных турбин образовался из-за ограничений, наложенных правительством на размещение ветряных электростанций, о чём уже говорилось прежде. Кроме того, турбины "датского стандарта" с неподвижными лопастями сильно шумели, что также накладывало ограничения на их размещение. Поэтому ещё в 1987 году министерство энергетики Дании образовало Комитет по морским ветропаркам, который занялся решением проблемы. В 1989 году Elkraft выразил намерение построить ветропак в рамках 100-мегаваттного контракта правительства и разместил тендер на поставку турбин, который выиграла фирма "Бонус".

"Бонус" перешёл 100-киловаттный рубеж ещё в 1985 году, к девяностому в его арсенале появились турбины на 450 киловатт. Для Виндеби была создана специальная версия такой турбины, полностью герметичная, поскольку ветер на море солёный, что не нравится электротехнике, да и просто движущимся частям машин. Для охлаждения турбины приспособили дополнительный внешний теплообменник. В остальном же это была обычная турбина B35/450, продолжатель линейки "Датского дождя" с 1980 года. Вот её основные параметры:

Ротор

• Диаметр 35 метров
• 3 лопасти
• макс. скорость вращения 35 об/мин
• неподвижные лопасти
• высота оси 35 метров
• наветренное расположение

Механизм B35/450 в стандартной комплектации,
из рекламного проспекта.

Редуктор

• трёхступенчатый
• передаточное отношение 43
• планетарный

Генератор

• асинхронный переменного тока 50 Гц
• 450 кВт активной мощности
• синхронная частота 1500 об/мин
• 690-400 В

Гондола

• активное управление курсовым углом
• сервопривод

Башня

• стальная труба 
• высота 32,7 метра

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 4,5 м/с
• номинальная скорость ветра 14,5 м/с
• максимальная скорость ветра 25 м/с

• срок эксплуатации 223000 часов (для парка Виндеби)
• полная наработка энергии на одну турбину 22 млн. кВт*ч (для парка Виндеби)

Ветропарк Виндеби состоял из 11 турбин общей мощностью 4,95 МВт, расположенных двумя параллельными рядами. Расстояние между рядами и между турбинами в одном ряду было одинаковым; 8,5 диаметров ротора турбины, то есть 300 метров примерно, что намного больше расстояния между турбинами в Маснедё (который весь в длину был таким).

Парк Виндеби, фото "Сименс".

Для установки турбин разработали специальные фундаменты. В сухом доке строили пустотелые бетонные конусы, которые поэтому могли плавать в воде. После постройки док затапливали и конусы отбуксировали к месту установки. На месте полости заполняли песком, из-за чего фундаменты тонули и ложились на дно. Никакого другого крепления ко дну, кроме силы тяжести, не предусматривалось. Стойкие оловянные солдатики. Затем на фундаменты краном устанавливались уже собранные турбины, которые попарно доставлялись специальным судном. Решение не самое удачное, зато простое. Благо глубина воды на месте была совсем небольшой: 2-4 метра. Также вокруг оснований была предусмотрена специальная защита ото льда, который случается в тех местах (на фото вверху).

Бетонные основания для парка Виндеби,
из ежегодного отчёта МЭА за 1991 г.

Парк со всеми делами, включая двухлетнюю программу экспериментов, обошёлся в 10,5 миллиона экю (ныне евро). К сожалению, мне неизвестны расходы на его дальнейшую эксплуатацию, а также демонтаж и утилизацию останков, которые, к слову сказать, происходят в этот момент (начало 2017 года). Это обидно, поскольку можно было бы прикинуть среднюю стоимость киловатт-часа для полного жизненного цикла ветряной электростанции. Тут мы имеем дело с историей, которая ещё не успела закончиться. Уже и "Бонуса"-то нет, и Elkraft'а тоже, а от Виндеби ещё что-то осталось.

Если вернуться к таблице с параметрами B35/450, то самое удивительное в ней, это цифры наработки, которые прежде нам нигде не встречались, даже у Твинд. Парк Виндеби был разработан на срок эксплуатации 25 лет. Это не чудо, и прежде были проекты и на 20, и на 30 лет, только на практике они рассыпались через пару лет реальной работы. Парк же Виндеби отработал столько, сколько ему было положено и даже чуть больше -- 25 с половиной лет, четверть века. С середины 1991 года и до конца 2016-го. Эти страницы начали писаться ещё при его жизни.

Однако, кое-что всё таки можно посчитать. Во-первых, это коэффициент использования установленный мощности (capacity factor), который нам уже доводилось считать. Поделим выработку ветропарка (243 ГВт-ч) на срок эксплуатации (223533 ч) и получим среднюю мощность -- 1,09 МВт. Отношение средней мощности к установленной (4,95 МВт) даст искомый коэффициент -- 22%. Немного, нынче добиваются и 40%, и более. Здесь можно найти более точный и подробный расчёт. По ссылке видно, что выработка не сильно менялась за время эксплуатации, только в прошлом году пошёл спад. Значит, крупных аварий сразу на нескольких турбинах не было.

Во-вторых, всё-таки хочется прикинуть стоимость, хотя считать чужие деньги нехорошо, но есть же бухгалтеры, можно поставить себя на их место. Поделим затраты строительства (10,5 млн. евро) на выработку (243 ГВт-ч) и получим цену киловатт-часа: 4,3 евроцента за киловатт. Конечно, экю в девяностом был в пару раз тяжелей нынешнего евро, были также эксплуатационные затраты. С другой стороны, ныне научились более эффективно использовать установленную мощность, а стоимость самой установленной мощности снизилась. Подобные расчёты и рассуждения были проведены официальными лицами, ведающими государственными расходами в Европе, и сделаны соответствующие выводы. В частности, сокращены, а то и вовсе ликвидированы субсидии и ужесточены требования к установке турбин. Что, в общем-то, хорошо, если вспомнить доклад Брунтланн.

Вот так, почти сто лет ушло на то, чтобы от первой реализации идеи Нансеном дойти до экономически состоятельного применения морского ветра в народном хозяйстве. Потому что как ни крути, а Нансен был первым, хотя Северного полюса так и не достиг. И, наверное, неслучайно, что от предместья Осло, где родился Нансен до Виндеби всего 550 километров строго на юг, по проливу Каттегат.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Лететь одним крылом

Fanaticism consists of redoubling your efforts when you have forgotten your aim.

George Santayana

Турбина EOLE 4 МВт, Канада,
из ежегодного отчёта МЭА за 1986 г.

В предыдущем посте было очерчено основное направление развития ветроэнергетики, но существовали и другие, менее успешные попытки строительства ветряных машин. Так, например, продолжались поиски надёжной и эффективной конструкции ветряной турбины с вертикальной осью. Движение за дешёвое электричество из ветра охватило множество стран, в первую очередь страны Западной Европы и Северной Америки. Свести вместе все события одной эпохи не дано никому, а если бы и было дано, то ни у кого не получилось бы всё это прочесть. Поэтому историки упускают большую часть событий, называя их несущественными, что часто несправедливо, а то и неверно, но всегда неизбежно.

После окончания прекрасной эпохи бури и натиска 1972-1986 гг., образовалось непонимание дальнейшего пути. Совершенствовать "датский стандарт" многим представлялось бесперспективным. Эти огородные чучелки выглядели жалкими по сравнению с желаемой целью -- мощными, долговечными и дешёвыми машинами. Появился соблазн (в технике он всегда присутствует, но иногда обостряется) найти какое-то сверхоригинальное решение, изобрести нечто этакое, "придумать формулу" как это подаётся в недорогих научно-приключенческих фильмах. Много народу поддалось этому соблазну и ушло куда-то совсем не в ту степь.

Уменьшение числа лопастей ветряной турбины -- один из способов её удешевления. По этой причине Хюттер перешёл от трёхлопастной схемы к двухлопастной. Его соратник по штутгартскому университету Франц Ксавьер Вортманн (Franz Xaver Wortmann), доктор аэродинамических наук, довёл его идею до окончательного совершенства, разработав схему ветряка с одной лопастью. Дожить до её полноценной реализации ему не удалось. Да и не только ему, прямо скажем. Надо заметить, что он не был одинок, насовцы тоже испытывали ротор с одной лопастью, их идея, надо понимать, росла из того же самого места.

Monopteros 50, из рекламного
проспекта.

Одна лопасть, несомненно, дешевле трёх и даже двух, но помимо дешевизны с уменьшением числа лопастей растут и другие факторы, не все из которых благостны. О них уже здесь говорилось, но в схеме с одной лопастью добавляется ещё один -- необходимость компенсировать одинокую лопасть противовесом. Противовес может быть очень простой конструкции, а потому дешёвым. Но... Во-первых, его вес не должен быть очень большим, иначе возрастёт нагрузка на башню, что приведёт к удорожанию всего ветряка в целом. Противовес можно разместить подальше от оси; тогда в соответствии с золотым правилом Герона на большем рычаге меньший груз даст тот же результат. Но чем дальше противовес от оси, тем быстрее он движется, не создавая при этом полезной мощности, но тормозя ротор о воздух (даже если он землю задевать не будет).

Учитывая старые проблемы двухлопастного ротора (повышенная шумность, динамическая нестабильность, низкая эффективность), которые только усиливаются в однолопастной схеме, и добавив к ней новую -- торможение и нагрузку противовесом, невольно задаёшься вопросом, а не лучше было бы вместо противовеса установить ещё одну лопасть? Она будет дороже, но зато даст дополнительную мощность и остальное будет попроще. Но, во-первых, на пальцах не докажешь что лучше, а во-вторых, тут уже дело принципа: получится такую турбину сделать или нет. Ради принципа же люди способны на многое.

Оплатить многомиллионные расходы на реализацию принципа взялось Федеральное министерство образования и научных исследований Германии (Bundesministerium für Forschung und Technologie, BMFT), а также власти федеральной земли Нижняя Саксония. Разработку турбин поручили фирме "Мессершмитт-Бёльков-Блом" (Messerschmitt-Bölkow-Blohm, MBB, ныне часть группы Airbus), в представлении не нуждающейся. Параллельно "Мессершмитт" работал на проект GROWIAN, поскольку машины фирмы M.A.N. были превосходны, но летать не умели совсем, а ветряку нужны крылья. Хотя бы одно.

Monopteros 400, из ежегодного
 отчёта МЭА за 1986 г.

Работы по проекту Monopteros 400 начались в самом конце 70-х годов с разработки конструкторской документации и строительству экспериментальной ветростанции малой мощности (400 кВт, как ясно из названия). Что касается имени Monopteros, то в переводе с греческого оно означает "с одним крылом". Предполагалось, что ветряк послужит прототипом для машины мощностью 5 МВт. Расходы оплачивало министерство. Турбину установили на побережье Северного моря, эксперименты с ней начались 1982 году. Особое значение придавалось выживанию в штормовых условиях. Считалось, что однолопастная схема особенно хороша в бурю. Достаточно перевести лопасть в нижнее положение и она спрячется в тени башни, а сопротивление всего ветряка ветру станет минимальным. Ожидания оправдались, турбина выдержала шторм с порывами ветра до 39 м/с. В июле 1985 года у ней отказала система управления механизмом поворота лопасти, что привело к повреждению самой лопасти. Однако неполадка не помешала посчитать опыт работы Monopteros 400 успешным.

На основе Monopteros 400 "Мессершмитт" разработал более мощную турбину, но не на 5 МВт, а всего лишь на 640 кВт; большего не захотел заказчик, в роли которого выступила электросетевая компания Нижней Саксонии. Она заказала ветропарк из трёх турбин, получивших название Monopteros 50. Парк JEDO возвели у города Вильгельмсхафен (Wilhelmshaven). Тогда же "Мессершмитт" вступил в коллаборацию с итальянской фирмой "Рива Кальцони" (Riva Calzoni), с которой они разработали еще две модификации ветряков поменьше, на 200 и 30 кВт. Их тоже установили рядышком, для компании. В таблице пониже картинки характеристики Monopteros 50.

Возведение ветропарта JEDO, из ежегодного отчёта МЭА за 1987 г.

Ротор

• Диаметр 56 метров
• 1 лопасть, на "качельках"
• аэродинамический профиль Wortmann FX 84,W
• 5° закрутка лопасти
• скорость вращения 32-43 об/мин
• регулировка угла атаки по всему размаху лопасти
• высота оси 60 метров
• заветренное расположение (на корме гондолы)

Редуктор

• трёхступенчатый
• передаточное отношение 48,6
• параллельная конфигурация осей

Генератор

• синхронный переменного тока с преобразователем частоты в постоянную
• 690 кВт активной мощности
• 1592-2070 об/мин

Башня

• стальная труба 
• высота 60 метров

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 6 м/с
• номинальная скорость ветра 11 м/с
• максимальная скорость ветра 16 м/с

Парк вступил в строй в 1989 году и просуществовал несколько лет, но никаких официальных данных о результатах его деятельности не обнаруживается. Впрочем, никто и не обязан был предоставлять их общественности, поскольку парк принадлежал частной фирме, пусть и с государственным капиталом. Так что остаётся только гадать что там происходило. Кроме вышеперечисленных проблем у однолопастной схемы есть ещё одна, менее очевидная. Из-за асимметрии ротора (с одной стороны лопасть, а с другой противовес) его балансировка может быть нарушена даже незначительным внешним воздействием вроде атмосферных осадков. Разбалансированный же ротор -- смерть всей машине. И много других, наверное, чудес могло приключиться, которые нам неведомы, но вот что известно точно, так это то, что и "Мессерштмитт", и "Рива Кальцони" по завершению работы Monopteros 50 теряют всяческий интерес к ветроэнергетике.

Парк JEDO, 17 октября 1989 года, из ежегодного отчёта МЭА за 1989 г.

Однако на этом история однокрылов не заканчивается. Всегда находятся любители сделать и любители употребить что-нибудь нетрадиционное. Конечно больших машин таких уже не делают, но мелочь поменьше можно найти до сих пор. Это тем более удивительно, что в малом масштабе никакой экономии на лопастях не получишь -- они и без того дёшевы. Ниже видео испанской фирмы ADES, которая теперь предлагает однокрылы. По мне, так даже выглядит жутковато, но некоторым нравится.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Познавший дзен не разговляется. 

Прогрессоры и дауншифтеры

Чувствовали они себя, прямо скажем, не очень хорошо. Балансы в минусах, заказы на нуле, рекламации потоком. Спрос на ветряные турбины резко сократился и в Калифорнии, и в Дании, в то время как отрасль поиздержалась на расширении производства. К тому же доллар падал с пика дороговизны, что делало торговлю с США невыгодной: затраты на производство приходилось нести в тяжёлых кронах, а выплаты по контрактам шли в лёгких долларах. Это было то время, когда Америка становилась great, так это некоторые понимают. Не спасал и 100-мегаваттный контракт правительства, сетевые компании по нему ничего не покупали, потому что у производителей просто не было таких турбин, которые бы соответствовали этому контракту. Их только ещё предстояло создать, а на то нужно было время и средства.

Курс датской кроны к доллару США.

В контракте правительства указывалось, что до конца 1990 года в Дании должно быть установлено 100 мегаватт мощности (вдвое больше, чем уже было). При этом, в начальной фазе проекта мощность каждой турбины ограничивалась снизу 100-200 киловаттами, а в заключительной фазе 200-400. Однако в парке калифорнийского периода даже 100-киловаттных машин не было, в основном мощность не превосходила 50 киловатт. Причём герои лихорадки и такие машины сами не разрабатывали, а больше пользовались услугами сторонних лиц. Хотя потихоньку некоторые из них обзаводились собственными опытно-конструкторскими подразделениями.

Так, фирма "Вестас" самостоятельно разработала и внедрила в производство лопасти c аэродинамическими тормозами на концах. Новшеством такую конструкцию назвать нельзя, но это несомненно был шаг вперёд. В 1985 году "Вестас" заключила договор на поставку 1200 новейших турбин повышенной мощности V17 (90 кВт) в Калифорнию. Первую партию удалось успешно продать, но дальше подвела логистика. Вторая партия застряла на рейде порта Лос-Анджелеса: судоходная компания, перевозившая турбины, обанкротилась, и порт её не обслуживал. Когда же турбины всё-таки сгрузили, дедлайн поставки уже миновал и американский заказчик, воспользовавшись нарушением контракта, отказался оплачивать товар (его тоже можно понять). 3 октября 1986 года компания "Вестас" приостановила оплату своих счетов. Подобное, а то и хуже происходило и с другими героями Калифорнии.

Но не только частники продвигали ветроэнергетику в Дании. 1 декабря 1981 года по инициативе министерства энергетики была основана акционерная компания "Датские ветряные технологии" (Dansk Vindteknik, с 1983 года Danish Wind Technology), её целью являлась коммерциализация опыта датской программы ветроэнергетики. В создании акционерного общества приняла участие шведская электротехническая компания ASEA (ныне часть ABB), что было очень важно, поскольку прежде ветряные компании закупали уже готовую электротехнику, а это было не самым удачным вариантом. "Датские ветряные технологии" стали первой компанией с доступом к серьёзным электротехническим разработкам. Также в компанию вошла фирма "Вёлюнд" (Vølund), создавшая лопасти для ветряков, установленных у города Нибе. Позднее ещё одним акционером стала электросеть SEAS.

Windane 40, модификация
для американского рынка,
с сайта "Ветер перемен"

"Датские ветряные технологии" разрабатывали серию турбин под маркой Windane. Среди них были совсем маленькие экспериментальные, которые продолжили линейку турбин фирмы "Вёлюнд", а также турбины побольше, выпускавшиеся во множестве экземпляров, все они представляли собой уменьшенные копии ветряка Нибе В. В 1984 году сетевая компания ELKRAFT заказала у "...технологий" ветропарк из пяти турбин Windane 40. По существу, этот ветропарк должен был дополнить неудачного предшественника из Нибе. Осенью 1986 года новые турбины установили на маленьком острове Маснедё (Masnedø) в Зеландии, а в эксплуатацию они вступили 17 февраля 1987 года и проработали где-то до 1993 года. К концу этого срока они подошли в плачевном состоянии. Установкой и эксплуатацией турбин заведовала SEAS. Подробности про Windane 40 в таблице ниже.

Ротор

• Диаметр 40 метров
• 3 лопасти
• трапециевидные в плане
• аэродинамический профиль НАСА 4412-44XX
• 5,5° закрутка лопасти
• скорость вращения 34 об/мин
• регулировка угла атаки по всему размаху лопасти
• наклон оси ротора 0°
• высота оси 45 метров
• наветренное расположение

Редуктор

Пожар на Маснедё,
из ежегодного отчёта МЭА за 1987 г.

• трёхступенчатый
• передаточное отношение 53,5
• параллельная конфигурация осей
• контактная муфта на низкоскоростной оси

Генератор

• индукционный 50 Гц
• 750 кВт активной мощности
• 1520 об/мин
• 5-6,6 кВ

Гондола

• активное управление курсовым углом
• гидравлический привод

Башня

• бетонный пустотелый конус 
• высота 42 метра

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 5 м/с
• номинальная скорость ветра 14,5 м/с
• максимальная скорость ветра 25 м/с

Лопасти Windane 40 отличались от лопастей Нибе В отсутствием стального лонжерона, он был заменён стеклопластиковым, что, впрочем, не помогло. Лопасти трещали. Года через три на двух турбинах стеклопластик заменили на фанеру. На рисунке внизу представлено поперечное сечение лопасти. Трещины шли поперёк стороны давления (нижняя часть лопасти на рисунке), примерно там, где находилась трубка для балансировки, что нетрудно было бы предугадать, если было бы чем.

Турбины заработали в феврале, а уже в октябре одна из них сгорела из-за неисправности переключателя. Подвела электротехника. Шум от турбин превосходил уровень, дозволенный властями. Неисправности в редукторах принудили снизить максимальную мощность с 750 до 500 кВт. Помимо несовершенства конструкции лопастей и редукторов на них оказывала разрушающее воздействие воздушная турбулентность. Порывы ветра оказались неожиданностью для разработчиков, что представляется мне крайне странным. Турбина никак не была от них защищена. Даже башня была сделана жёсткой, бетонной, и это в середине 80-х. Понабрали студентов, как говорится. Но научные исследования, всё же, проводились.

Внизу представлены два графика, оба они показывают как менялась со временем мощность, вырабатываемая ветряками парка Маснедё. Момент времени на обоих графиках запечатлён один и тот же, продолжительностью четыре с половиной минуты (280 секунд). Отличие между графиками в том, что верхний показывает выработку от одного ветряка, а нижний от всех четырёх в сумме (без сгоревшего пятого). Если на верхнем графике мощность колеблется от ста до шестисот киловатт (то есть, меняется в шесть раз), то на нижнем от тысячи до двух тысяч киловатт (всего вдвое). Стало быть, парк из четырёх турбин имеет временную неравномерность выработки в три раза меньшую, чем одна отдельно стоящая турбина.

Вырабатываемая ветропарком Маснедё мощность, кВт,
из отчёта для Еврокомиссии.

Забегая вперёд можно сказать, что чем больше становятся размеры ветропарка, чем больше турбин он включает в себя, тем более гладкой получается кривая выдаваемой мощности. Парк на Маснедё имел небольшие размеры, сотни три метров в длину (турбины стояли почти на одной линии в направлении север-юг), а если бы он занимал большую площадь, то неравномерность стала бы совсем незначительной. И ненужны тут никакие специальные сглаживающие устройства вроде маховика Уфимцева. Впрочем, неравномерность на большем промежутке времени (сутки, сезоны, годы) расширением парка сгладить не получится. Годовые колебания выработки, например, проявляются даже на масштабе такой обширной страны как США. Годы бывают урожайными и неурожайными не только на тепло и дождь, но и на ветер тоже. Годовая выработка может отличаться год от года на десять, а то и на пятнадцать процентов.

На верхнем графике несложно разобрать колебания мощности двух разных масштабов; первые из них короткие, порядка одной секунды, они прорисовываются в кривой мелкими и частыми пиками, вторые долгие, десятки секунд и более, глубокие и непериодические. Так вот, первые колебания обусловлены турбулентной структурой воздуха, состоящего из ячеек турбулентности или вихрей. Воздействие этих вихрей и есть те самые, неоднократно упомянутые здесь, порывы ветра. К сожалению, они не настолько слабые, как может показаться из графика, просто турбина не успевает на них среагировать, их воздействие отражается не в колебаниях электрической мощности, но в механических колебаниях конструкции ветряка. Степень турбулизированности воздуха сильно зависит от характера поверхности, вдоль которой дует ветер, поэтому в некоторых местностях ветряные турбины не следует устанавливать вовсе, они там всё равно долго не продержатся.

Можно оценить размер турбулентной ячейки. Скорость ветра указана на графике -- девять метров в секунду, продолжительность порыва около секунды, стало быть, размер ячейки около десяти метров, что даже меньше размеров ротора турбины.

l≈v*t,  где l -- характерный размер ячейки, v -- скорость ветра, t -- продолжительность порыва

Поэтому одна ячейка в одно и тоже время нападает только на один ветряк, другие бьются с другими, и по времени порывы на разных ветряках не совпадают. Так что степень их усреднения зависит лишь от количества турбин.

Другое дело колебания скорости ветра большего масштаба, они не связаны с турбулентностью. Сглаживать их сложнее, зато они полностью "усваиваются" турбинами. Можно оценить их размер по той же формуле. Для колебаний в десятки секунд он получается порядка сотен метров при скорости ветра девять метров в секунду. Примерно такой же размер имел парк на Маснедё, однако этого тоже хватало для существенного сглаживания кривой мощности, поскольку не в пример турбулентным вихрям, неоднородности большего масштаба не имеют резких границ. Однако, чем больше парк, тем проще сглаживать длительные неоднородности. В современных ветропарках сотни метров составляет расстояние только лишь между соседними турбинами, а полный размер парка может быть и десять и тридцать километров. Ветру понадобится полчаса, чтобы весь его продуть насквозь.

Неоднородность ветра может быть привязана к отдельным элементам ландшафта, сама по себе являясь некой топологической поверхностью. Она неподвижна при заданном направлении ветра, но стоит ветру перемениться, поверхность изменится тоже. Этот эффект также исследовался на Маснедё. В качестве элемента ландшафта использовалось здание электростанции, оставлявшее позади себя заметный след. Сами ветряки тоже оставляют после себя кильватерный след, являясь элементами ландшафта. Кильватерному эффекту было уделено особое внимание. Ради него ветряки выстроили в один ряд. Эффект оказался силён: мощность турбины падала вдвое, когда она оказывалась в кильватере соседки. Надо было пореже ставить.

Так обстояли дела в первые годы нового этапа развития ветроэнергетики. Коммерческие производители стремились увеличить размер своих турбин, учёные -- заставить свои работать, пусть даже за счёт уменьшения размеров. Где-то посередине их усилия должны были встретиться. Второй важный момент -- подготовка к строительству крупных ветропарков. Но здесь датские ветростроители столкнулись с новой проблемой...

PS. В тексте упомянута турбина Vestas V17. На видео внизу рассказывается и показывается финал жизни одной из таких турбин (возможно, модель другая, V15 или V10, по картинке трудно определить, тем более что лопасти у ней какие-то новые, модифицированные). Какая нелепая смерть, хочется воскликнуть.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Я к вам песах, чего же боле...

Бедность -- порок

Гру Харлем Брунтланн

30 лет назад, 17 апреля 1987 года состоялся доклад комиссии ООН под председательством Гру Харлем Брунтланн (Gro Harlem Brundtland), посвящённый окружающей среде и развитию, и скромно озаглавленный как  "Наше общее будущее" (Our Common Future). Доклад явился результатом работы, начатой ещё со Стокгольмской конференции 1972 года. В нём содержалось тогдашнее видение стоящих перед человечеством проблем и давались общие рекомендации мировому сообществу. Представленный комиссией документ не следует рассматривать как некую директиву, на то у ней не было и не могло быть никаких полномочий; ООН самое большее консультативный орган. Даже Киотский протокол с его квотами, до которого, кстати, оставалось ещё десять лет, совсем необязателен к исполнению. Так что, комиссия собрала и представила соображения самого общего свойства и, в тоже время, такие, какие невозможно игнорировать, следуя определённой цели. В этом смысле рекомендации комиссии куда более обязательны, чем директива, которую можно отказаться соблюдать, но законы природы ещё никому не удалось нарушить. Цель же указывалась как устойчивое развитие (sustainable development). В докладе приводится определение этого термина, ставшее классическим:

Устойчивое развитие, это такое развитие, которое отвечает потребностям настоящего поколения без ущерба способности будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности.

Понятие устойчивого развития исходит из баланса двух идей: потребностей и возможностей окружающей среды их удовлетворить. Это именно что идеи, поскольку и то, и другое весьма субъективно. Потребности могут возникать разные, поэтому особое внимание уделяется самым необходимым, без которых жизнь невозможна. В тоже время и возможности среды зависят от того, как люди используют их для удовлетворения своих потребностей. Так что, достичь устойчивого развития можно через правильное понимание того и другого.

Казалось бы, человечеству надо умерить свои потребности и всем хватит, но не тут-то было. Такой подход прокатывал только в каменном веке. Главной бедой, бедой номер один современного человечества в докладе комиссии Брунтланн указывается бедность. Бедность, которая вынуждена нещадно эксплуатировать доставшиеся ей природные ресурсы самым примитивным и неэффективным способом. От этой беды не спасёт даже благополучие отдельных стран. Земля едина, поэтому не получится отгородиться забором от неблагополучных стран; они всё равно отравят вашу воду и воздух, испортят климат, выловят вашу рыбу, перебьют ваших птиц, будут нападать на вас и грабить. У них просто нет другого выхода. Теперь, спустя тридцать лет, можно сказать, что кое-какие подвижки в деле борьбы с бедностью произошли, но всё равно пятая часть человечества обретается в недопустимой нищете; эти люди голодают и не имеют доступа к элементарной медицинской помощи. В тоже время, как ни странно, куда хуже обстоит дело с пониманием, которое вроде бы особых затрат не требует по сравнению с борьбой с бедностью. Вот поэтому заборостроительство и продолжается.

Все остальные беды, а именно, необузданный рост, парниковый эффект, озоновая дыра (общественность впервые узнала о ней из доклада комиссии Брунтланн), загрязнение (включая радиационное), опустынивание, сокращение биоразнообразия и даже экономический кризис суть производные бедности; состояния, не позволяющего думать ни о чём другом, кроме как о сегодняшнем дне, в то время как подумать есть о чём. Например, об использовании возобновляемых источников энергии. В докладе о них немного, зато по существу.

...Некоторые из этих проблем могли бы быть решены путём более широкого использования возобновляемых источников энергии. Но эксплуатация таких возобновляемых источников как древесина и гидроэнергия также влечёт за собой экологические проблемы. Следовательно, устойчивое развитие требует чёткой фокусировки на сохранении и эффективном использовании энергии.
...Энергия ветра используется на протяжении столетий -- главным образом для перекачки воды. В последнее время её использование быстро растёт в таких регионах как Калифорния и Скандинавия. Там ветряные турбины используются для генерации в местных электросетях. Затраты на генерацию энергии ветром, которые вначале частично покрывались существенными налоговыми льготами, в Калифорнии резко сократились за последние пять лет и, возможно, ветрогенерация станет конкурентоспособной с другими видами генерации в течение следующего десятилетия (тут авторы доклада, пожалуй, не всё знали, прим. переводчика). Во многих странах имеются успешные, но небольшие программы по ветроэнергетике, однако неиспользованный потенциал всё ещё высок.
...Возобновляемые источники энергии требуют намного большего приоритета в национальных энергетических программах. Исследования, разработки и демонстрационные проекты следовало бы обеспечить необходимым финансированием для их быстрейшей реализации. Установленная мощность 10 ТВт или около того, пусть даже 3-4 ТВт, будет иметь существенное значение для принятия в будущем решения о начале поставок, особенно в развивающихся странах, где существуют предпосылки для успеха возобновляемых источников. Технологические проблемы использования возобновляемых источников незначительны по сравнению с проблемами создания социальных и институциональных структур, которые облегчат им доступ в системы электроснабжения.
...Политика в области ценообразования в энергетике играет критическую роль в стимуляции эффективности. В настоящее время она иногда проявляется в субсидиях и редко отражает реальные затраты на производство либо импорт энергии, особенно когда валюта недооценена. Очень редко она отражает в затратах потери за счёт нанесения ущерба здоровью, собственности и окружающей среде. Страны должны оценивать все косвенные и прямые субсидии для того чтобы увидеть насколько далека реальная стоимость энергии от возложенной на потребителя. Правдивое ценообразование энергии -- с гарантиями для самых бедных -- должно распространяться на все страны. Большая часть стран, как развитых, так и развивающихся, уже проводят такую политику.

Цены в евро за кВт-ч для домохозяйств в странах Европы за вторую половину 2015 года.
По данным Eurostat.

На графике вверху представлена современная картина ценообразования в Европе. Можно заметить, что из-за налогов цены для потребителя мало отражают истинную стоимость электроэнергии. Так, например, цена в Дании самая высокая не потому, что доля ветроэнергии в стране достигает 40%, а из-за того, что налоги составляют 2/3 её. Себестоимость же (нижняя часть столбца) оказывается даже ниже, чем во Франции с её атомными станциями и почти такой же как в Молдавии с её бедностью. Зато есть некоторая корреляция с доходом граждан, чем он ниже, тем ниже цена на электричество. То есть, рекомендации комиссии Брунтланн учтены, но с некоторыми поправками; гарантии получают не столько бедные люди, сколько бедные страны, а субсидии возвращаются в цену в виде налогов. Из-за чего в последнее время субсидии стараются снять; при условии снижения налогов цена на электричество при этом не изменится, а то и снизится, что, правда, нежелательно.

Высокие цены на электричество способствуют экономии и эффективному использованию энергии, а также внедрению дорогостоящего оборудования для извлечения энергии из возобновляемых источников. Так оно задумывалось, однако на практике были и другие последствия. В частности, рост затрат на промышленное производство способствовал перемещению оного в бедные страны, где стоимость электричества ниже. Этот дрейф привёл к повышению благосостояния в бедных странах (в Китае, в первую очередь), а ведь борьба с бедностью была названа важнейшей целью, поэтому неудивительно, что в десятых годах XXI-го века в Китае случился резкий рост ветроэнергетики. То есть, в итоге всё получилось хорошо, законы природы не обманешь.

Но вернёмся в Данию середины восьмидесятых годов прошлого века, посмотрим, как чувствовали себя герои калифорнийской лихорадки, внезапно оказавшиеся в ящике Шрёдингера.

Назад

К оглавлению

Вперёд