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