Последние будут первыми

臥虎 藏龍

Ветряные мощности, установленные
в 2016 году, по странам.
Источник GWEC.

В литературе можно встретить высказывание, мол, до 2005 года о китайской ветроэнергетике не было известно ничего. Это не совсем так, конечно. Кое-что про неё даже на этих страницах было сказано. В Китай поступали импортные ветрогенераторы, а в 1998 году была основана фирма "Голдвинд" (Xinjiang Goldwind Science and Technology Co. Ltd.), первенец национального ветростроительства Китая. В 2005-м же году произошло знаменательное событие в общественной сфере: Всекитайское собрание народных представителей приняло законодательный акт о закупках электроэнергии, производимой из возобновляемых источников. Китайские власти и прежде оказывали поддержку ветроэнергетике, быстрорастущая экономика страны нуждалась в электричестве; в собственных энергоресурсах преобладает каменный уголь, от его золы китайцы задыхаются, добыча его дело непростое, не говоря уже о всяких там Киотских протоколах и прочем; но этот закон был особенный, схожий с теми, с какими мы уже ознакомились на примере Калифорнии и Дании. Экономика же, она и в Китае экономика, так что, результат не заставил себя долго ждать.

Этнический китаец (ханец) Ву Кан (Wu Gang) оказался в Синьцян-Уйгурском автономном районе (Xinjiang) не случайно. Как писал "Форбс", он скрывался там от излишнего внимания властей во время культурной революции. Место и в самом деле подходящее, мало того, что крестьянская провинция, так ещё и национальная окраина, до ханьцев руки не доходили, с уйгурами бы разобраться. В этом замкнутом районе (в пятидесятых годах повесили железный занавес на советско-китайской границе, а до прочей цивилизации от Синьцзяна тысячи ли) в 1983 году Ву Кан получает диплом инженера по специальности электрика. Там же он изучает английский язык. Лет пять спустя после окончания института, Ву Кан поступает на работу в компанию "Синьцянская ветроэнергетика" (Xinjiang Wind Energy Co). Компания в то время занималась строительством одного из первых китайских ветропарков неподалёку от Урумчи, столицы Синьцзяна. Ву Кан возглавляет эту работу. Там он постигает премудрости ветростроительства и знакомится с компаниями-производителями ветряных машин. В 1995 году он дорос до поста заместителя Генерального директора, что, по всей видимости, было для него потолком в этой частной компании. Неудивительно поэтому, что в 1998 году он основал свой собственный "Голдвинд". В том же году он получает докторскую степень в университете Даляня (бывший город Дальний).

Новорождённая компания под руководством доктора Кана представляет проект 600-киловаттного ветрогенератора под названием "Девятая пятилетка" (известный в международной классификации как S43/600). Далее историографы "Голдвинда" обычно переходят к новым свершениям и достижениям компании, открывшим ей дорогу к мировым высотам, но нам следует слегка притормозить и прежде чем вернуться к "Голдвинду" посмотреть что представлял из себя S43/600, просто потому, что нас интересует прежде всего техника, а не коммерция. Для этого сравним его с двумя другими ветряками того времени и той же мощности. Это TW-600 немецкой фирмы Tacke и D4 46/600 тоже немецкой DeWind (ныне часть группы General Motors, USA).

	Goldwind S43/600	Tacke TW-600	DeWind D4 46/600
Мощность, кВт	600	600	600
Диаметр ротора, м	43	43	46
Количество лопастей	3	3	3
Вес гондолы, т	23	32	24
Вес башни, т	62	55,5	63
Вес ротора со ступицей, т	12,4	18	11,5
Общий вес, т	97,4	105,5	98,5
Мин. скорость ротора, об/мин	17,9		13,1
Макс. скорость ротора, об/мин	26,8	27	29,2
Мин. скорость ветра, м/с	3,2	3	2,5
Макс. скорость ветра, м/с	25	25	19
Ступени редуктора	3	3	3
Передаточное отношение	1:56,56	1:57	1:45
Генератор	индукционный	асинхронный	асинхронный
Макс. скорость генератора, об/мин	1520	1500	1500
Напряжение, В	690	690	690
Высота башни, м	40-60	50	55-70

Для пущей наглядности картинки гондол этих турбин:

Можно сказать, что машина "Голдвинд" находилась в общеевропейском тренде и мало отличалась от других. Более того, китайская турбина больше похожа на немецкую Tacke, чем две немецкие друг на друга. Рационального объяснения этого сходства у меня нет, но известно другое.

Франц Таке (Franz Tacke), один из пионеров немецкой ветроэнергетики, в 1960 году унаследовал машиностроительную компанию своего деда, основанную ещё в 1886 году. В середине восьмидесятых годов прошлого века Франц включается в калифорнийскую гонку, где добивается определённых успехов. Фактически фирма Таке становится второй среди германских ветростроителей, уступая только "Энеркону". Фирма последовательно наращивает мощность своих турбин, дойдя до двух мегаватт, но в 1997 году объявляет себя банкротом. Её приобретает американский "Энрон" (купленный впоследствии "ДжиИ"), который не выпускает турбин менее 750 киловатт. Вполне удачная конструкция TW-600 остаётся бесхозной. Вероятно её дизайн как-то мог повлиять на работу Ву Кана.

Время не стоит на месте даже в Китае с его тысячелетней историей традиций, устаревает не только "Девятая пятилетка", но и пришедшая ей на смену "Десятая" мощностью 750 киловатт. В 2002 году доктор Кан становится председателем наблюдательного совета компании "Венсис" (VENSYS). В следующем году "Голдвинд", ставший партнёром "Венсис", выпускает по лицензии последней мельницу GW62/1200 с размахом крыльев 62 метра и мощностью 1,2 мегаватта. Здесь необходимо внести ясность касательно "Венсис", и нам снова придётся вернуться в Германию. (Вопрос для проверки пройденного материала: что означает название VENSYS ?)

В 1990 году в университете прикладных наук Саарбрюккена под руководством профессора, доктора технических наук Фридриха Клингера (Friedrich Klinger) создаётся исследовательская группа по ветроэнергетике. В своей работе группа ориентируется, прежде всего, на усовершенствование генератора. В 1997 году готов первый опытный прототип на 600 киловатт. В 2000 году основывается компания "Венсис", которая, используя наработки исследовательской группы, наращивает мощность своих турбин. Пять лет спустя компания начинает продавать лицензии в Испанию. В 2007 году она расширяет рынок лицензий на Китай, Индию и Бразилию. В следующем году "Голдвинд" приобретает акции "Венсис", а ещё через год компания представляет публике турбину VENSYS 90/100, которая одновременно и Goldwind.

Goldwind 1.5MW. Из рекламы фирмы "Голдвинд".

VENSYS 1.5MW. Из рекламы фирмы "Венсис".

Надо заметить, что "Венсис" не отказалась от собственного производства, а "Голдвинд" имеет собственных инженеров, так что две вышеприведённые турбины всё же разные. Что же особенного было в них, что принесло успех и "Голдвинду", и "Венсис"?

Во-первых, это генератор прямого привода на постоянных магнитах. Использование мощных неодимовых магнитов позволило удержать габариты генератора в разумных приделах при малой частоте вращения вала -- до 14 оборотов в минуту. Конечно, использование неодима вызывает вопросы; он недёшев, его добыча сопряжена с нанесением ущерба окружающей среде, кроме того, он редок, но, по счастью для "Голдвинд", его основная добыча сосредоточена в Китае.

Во-вторых, это преобразователь напряжения, который позволяет подключаться к любой сети, а также изолирует генератор от перепадов напряжения в сети. В-третьих, поворотный механизм лопастей, не требующий смазки, оснащённый автономным источником питания, с расчётным сроком службы 20 лет. В-четвёртых, воздушная система охлаждения генератора с замкнутым контуром и теплообменником. В общем, всё то, что нужно в экстремальных условиях эксплуатации, каковы в Китае нередки.

Такая спарка немецких разработчиков и китайских производителей позволила догнать и местами перегнать лидеров индустрии. Китайский дракон незаметно подкрался к пирогу промышленной ветроэнергетики. Ныне без Китая она немыслима. Китайские ветряные турбины устанавливаются не только в Китае, но и в обоих Америках, и в Европах, и, разумеется, в Азии, включая Российскую Федерацию.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Олимпийская смена

Ὣς οἳ μὲν Διὸς ἔνδον ἀγηγέρατ'· οὐδ' ἐνοσίχθων
νηκούστησε θεᾶς, ἀλλ' ἐξ ἁλὸς ἦλθε μετ' αὐτούς,
ἷζε δ' ἄρ' ἐν μέσσοισι, Διὸς δ' ἐξείρετο βουλήν·
τίπτ' αὖτ' ἀργικέραυνε θεοὺς ἀγορὴν δὲ κάλεσσας;
ἦ τι περὶ Τρώων καὶ Ἀχαιῶν μερμηρίζεις;
τῶν γὰρ νῦν ἄγχιστα μάχη πόλεμός τε δέδηε.
Όμηρος Ἰλιάς

Этими новыми игроками стали мировые электротехнические компании. Они и прежде так или иначе участвовали в создании ветряной энергетики. Иногда помимо своей воли, просто потому, что ветростроители закупали их продукцию, иногда же вполне деятельно и осмысленно, как "ДжиИ" участвовал в проекте НАСА. Так или иначе, но у этих компаний накапливались знания и о потребностях отрасли, и о её достижениях. Пожалуй, именно они обладали наибольшей компетенцией за пределами собственно ветростроителей, так что они первыми оценили по достоинству выход на рынок ветрогенераторов мегаваттного класса. Но международные корпорации огромные и медлительные, так что их выход на новый рынок затянулся по времени. Хотя... как сказал об исчезнувших черепашках наркоман, устроившийся на работу в зоопарк ночным сторожем: "Я только дверь приоткрыл, а они как ломанулись..."

В 2000 году в прессе появилось сообщение о том, что концерн ABB совместно с фирмой SW Vindkraft AB продал свою первую ветряную турбину. Машина мощностью в три с половиной мегаватта, получившая название "Ветродуй" (Windformer), чтобы не сказать больше, существовала к тому времени только на бумаге. Предполагалось подключение ветрогенератора к линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения, системы уже разработанной ABB для гидростанций и проверенной в Швеции незадолго до этого. Использование постоянного тока решало давнюю проблему стабилизации частоты ветрогенератора, а работа в спарке с гидростанцией -- неравномерность ветра. Машину установили на следующий год на острове Готланд, как проект "Нёзюдден 3". Трёхлопастной ротор с прямым приводом генератора на постоянных магнитах (без редуктора!) диаметром 90 метров должен был вращаться со скоростью около 18 оборотов в минуту в 70 метрах над землёй. Но уже в 2002 году проект стоимостью 9 миллионов евро был закрыт. Как сообщал журнал Windpower Monthly (тот самый, который основал первый покупатель Рииксадера), руководство ABB сочло рынок неготовым для продукции такого высокого класса. Слишком дорого для нынешних покупателей. На этом строительство ветряных мельниц фирма закончила.

Впрочем, ABB не отказалась полностью от ветряного рынка, но продолжила поставки комплектующих своим традиционным партнёрам. Не грех вспомнить, что ещё на "Твинде" был установлен генератор ASEA (от неё осталась буква "А" в названии ABB), подобранный на помойке. Одним из покупателей продукции ABB была фирма "Вестас", их партнёрство сохранилось до сих пор. Более того, в наши дни "Вестас" отказалась от солидной доли собственного производства, переключившись на сторонних производителей комплектующих. Такая стратегия была описана здесь прежде, она имеет свои положительные стороны и в некоторых случаях может оказаться наилучшей. На каждый современный ветряк устанавливается компьютер, например, но не обзаводиться же каждой ветряной фирме собственным производством компьютерных чипов? Так что, любой корпорации не обойтись без сторонних поставщиков, вопрос же об их минимизации спорный. К слову сказать, на протяжении трёх десятилетий, до апреля 2017 года существовал независимый производитель лопастей для ветряных турбин большой мощности -- LM Wind Power (теперь часть "ДжиИ", стоимость сделки -- 1,5 миллиарда евро). (История наступает на пятки.)

Кстати, о "ДжиИ". В 2002 году она поглощает скандально известную "Энрон" (Enron), которая, в свою очередь, была наследницей "Зонд" (Zond), осуществлявшей закупку ветряных мельниц для Калифорнии в 80-х годах. Кроме мошенничества в "Энроне" занимались и дельными вещами тоже. Среди прочей продукции фирма производила ветряки мегаваттного класса (лопасти поставлял вышеупомянутый датский LM). Таким образом "ДжиИ" вернулась в ветряной бизнес. Новый владелец не только не прикрыл производство, но всячески принялся его расширять. Эта покупка стала первой в долгой цепи поглощений.

Как было сказано, в 2004 году прекратила своё существование фирма "Бонус", но она не исчезла, её тоже купили. Покупателем выступила ещё одна электротехническая корпорация -- "Сименс", которая уже прежде участвовала в ветростроении, поставляя свою продукцию. В частности, "Сименс" сотрудничал с вышеупомянутой SW Vindkraft AB. Сумма сделки осталась в тайне, но по некоторым оценкам "Датский дождь" обошёлся "Сименсу" в несколько сотен миллионов долларов, неплохая цена для местного производителя поливальной техники, каковым он был всего 20 лет назад. На момент продажи в "конюшне" фирмы были турбины на 2,3 МВт (с генератором производства ABB). "Сименс" также принялся развивать приобретение, постепенно увеличивая свою долю на мировом рынке, несмотря на то, что в самой фирме разгорался коррупционный скандал, принёсший ей немалые потери. Один только штраф за дурное поведение, выплаченный в 2007 году, составил полтора миллиарда долларов. Но ветряное подразделение "Сименс" продолжило развитие, в том числе, благодаря усилиям нового руководителя корпорации -- Петера Лёшера (Peter Löscher). Отработав на своём посту шесть лет и вытащив корпорацию из грязи скандала Лёшер повторил судьбу Пульсена; при строительстве нового морского ветропарка допустили косяки в логистике. Убытки оказались настолько велики, что сказались на всей громадной корпорации, акционеры не смогли простить. Тем более, что к пришедшему со стороны менеджеру накопились и другие претензии.

Иллюстрация Daniel Urrabieta Vierge
к роману Сервантеса "Дон Кихот".
Изображена правильная мельница,
что случается не всегда.

Прежде здесь почти не уделялось никакого внимания Испании, стране ветряных мельниц, между прочим. ХХ век выдался не слишком удачным для неё, хотя другие европейские страны пострадали не меньше, по крайней мере. В нашем случае критично то, что всю первую половину века страна пребывала в архаичном, аграрном состоянии, да ещё и в изоляции. Однако во второй половине начались индустриализация и модернизация. Развивалась и ветроэнергетика, которой, в том числе, способствовала неразвитость электрических сетей, но в большей степени отсутствие запасов минерального топлива, да и других энергоресурсов тоже. Эта нехватка обеспечила успех в Испании возобновляемых источников энергии.

В 1987 году в Испании была основана фирма "Экотекния" (Ecotècnia), выпускавшая ветрогенераторы. Первые её мельницы были сродни калифорнийским, да и само появление ветряной техники в Испании в какой-то мере явилось результатом поиска новых рынков сбыта взамен сократившегося американского. В дальнейшем фирма развивается вполне успешно, не отставая от других производителей (лопасти она закупает у LM). В 2007 году в её конюшне уже есть трёхмегаваттный ветряк. Тут-то её и приобретает ещё один электротехнический концерн -- "Альстом" (ALSTOM). Однако в Альстоме ветряное подразделение продержалось всего шесть лет. Тем не менее, за это время была создана замечательная машина, Haliade 150. С прямым приводом генератора на постоянных магнитах 6-мегаваттная турбина в первую очередь предназначалась для установки в море. Её новым хозяином стал всё тот же "ДжиИ". На этой машине история заканчивается, переходя в современность.

Не остались в стороне и японские "Митсубиси" и "Хитачи", больше известные у нас автомобилями и электроникой. Они создавали и устанавливали ветрогенераторы оригинальной конструкции, но к настоящему времени ушли с рынка, что само по себе удивительно: Япония как раз теперь поворачивается лицом к ветру. Но, может быть, мы их ещё увидим в будущем.

Итак, на смену древним титанам пришли обитатели электротехнического Олимпа, чтобы продолжить конкурентную борьбу. Однако, они не стали последними в очереди к свежеиспечённому пирогу промышленной ветроэнергетики. Подтянулись и другие знатоки кулинарии.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Остаться должен только один

Робин Бобин Барабек

Скушал сорок человек

К.Чуковский

There Can Be Only One

Официальная история компании "Вестас" начинается с 1898 года, когда совсем ещё молодой её основатель Смит Хансен (Hand Smith Hansen) сошёл с поезда в городке Лем, расположенном на западном побережье Ютландии. Следуя своему имени (или прозвищу? Smith по-датски "кузнец") он приобрёл в этом городке кузню и занялся индивидуальным предпринимательством и собственной семьёй. Судя по тому, что его бизнес в маленьком городе продержался десятилетия, он действительно пользовался отменной репутацией у местных жителей, как сообщает то официальный синопсис. Когда подрос его сын Педер (Peder), они вдвоём основали семейную фирму по изготовлению металлических оконных рам для ферм. Во время Второй мировой войны их бизнес приходит в упадок, но по завершении её Педер с отцом и другими соратниками основывает новую фирму под названием Vestjysk Staalteknik A/S (ЗАО "Стальные технологии Западной Ютландии"). Название оказывается несколько сложным для сельской местности и вскоре сокращается до Vestas. Педер приобретает для фирмы международный патент на производство холодильников для молочного производства, как-то их модернизует, хорошо зная потребности фермеров, и завоёвывает не только местный рынок, но и поставляет продукцию на экспорт: в Германию, Бельгию и Финляндию. В 1956 году брат Педера, Сёрен (Søren) приносит в фирму новый заказ -- на разработку и производство интеркулеров (промежуточных охладителей воздуха для ДВС) для судостроительной компании. В 1959 году Педер выкупает фирму и становится её единоличным хозяином, но в следующем году производство полностью сгорает (в прямом смысле слова). Однако, как было сказано у классика, "пожар способствовал ей много к украшенью"; "Вестас" на новой производственной площадке увеличивает численность персонала и обороты. Новым ключевым продуктом фирмы становятся краны для грузовиков. Уже в 1971 году, ещё задолго до нефтяного кризиса, "Вестас" нанимает на работу инженера Биргера Мадсена (Birger Madsen). Мадсен занимается на фирме секретными разработками. В 1978 проводятся испытания секретной машины: ветрогенератора на основе ротора Дарье. Про результат говорить не приходится.

Далее происходит весьма важное событие, уже упомянутое в "Парке Калифорнийского периода"; "Вестас" перекупает ветряную мельницу у заболевшего Карла Эрика Йёргенсена.

С 1980 года на фирме начинается массовое производство ветрогенераторов и все эти американские дела, которые уже тоже описывались. После банкротства 1986 года фирма не только не отказывается от ветряной тематики, но, напротив, продаёт большую часть своего имущества и становится ультимативно Vestas Wind Systems A/S (Ветроустановки "Вестас"). Возглавил новую старую фирму Йоханнес Пульсен (Johannes Poulsen). Дела у компании пошли в гору.

В 1989 году "Вестас" приобретает "Датские ветряные технологии". Компанию, вообще говоря, со значительным государственным участием. Это те самые ребята, которые работали с ветряками города Нибе и создали ветропарк на Маснедё. Иногда говорят о слиянии, а не о приобретении. По свидетельству Эрика Грове-Нильсена, некоторое время компания носила двойное имя: Vestas, Danish Wind Technology A/S. В исторической справке, размещённой на официальном сайте компании, этот момент никак не освещён, хотя лично мне он представляется важным. Вместе с компанией, "Вестас" приобрела и те самые технологии, технологии создания ветрогенераторов мегаваттного класса.

В лихие девяностые "Вестас" высаживает свой мегаваттник вместе с остальным "Звёздным десантом" (и получает золото в нашем неформальном зачёте). В 1995 году она выходит в море, оснащая своими турбинами морской ветропарк в Дании. В 1998 году компания становится публичной, разместив акции на бирже Копенгагена. В 2002 году, после 15 лет работы на посту гендиректора, уходит Пульсен. "Вестас" установила 80 турбин в новом морском ветропарке Хорнс в паре десятков километров южнее Лема. Даже опередила сроки, но, как это часто бывает в спешке, что-то пошло не так. Гондолы всех турбин пришлось демонтировать и отправлять на доработку. Акционеры не могли не ответить на такой удар по компании.

В 2004 году "Вестас" купила "Нордтанк-Микон", который сам к тому времени уже много кого купил. В том же году прекращает существование последний датский конкурент компании -- фирма "Бонус". Впрочем, не только датский. "Вестас" становится мировым лидером, не имея себе равных. На её долю приходится 32% рынка.

Однако, 32%, это не сто и даже не пятьдесят. До монополии было далеко тогда, ещё дальше теперь, хотя "Вестас" всё это время продолжала наращивать производство. Высокую конкуренцию на рынке ветрогенераторов можно объяснить несколькими причинами, но самой главной мне представляется обмен технологиями. Большая научная работа проводилась государственными учреждениями, и никому из участников рынка не удавалось сильно вырваться вперёд за счёт патентных ограничений. Пожалуй, в случае с ветроэнергетикой мы видим редкий пример стимулирующего воздействия государства на производство. Успех такого воздействия, на мой взгляд, заключался в том, что в работе участвовали разные страны с разными возможностями и подходами. То есть, конкуренция происходила уже на уровне государства, чего обычно не бывает.

Но была и другая причина сохранения высокой конкуренции после появления явного лидера: на рынок вышли новые игроки.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Не числом, так распределением!

Уходим в цифру

One does not simply walk into Mordor.
the movie The Fellowship of the Ring

Вначале рассказа о новом достижении ветростроителей необходимо сделать довольно пространное отступление в область теории, иначе не будет понятно, в чём, собственно, заключалось это достижение.

На рубеже двух тысячелетий появилось важное новшество в деле создания машин. Прежде существовало два больших класса методов их конструирования: опытно-практический и расчётно-теоретический. Строго говоря, между ними не было непроницаемой стены. В ходе опыта делались общие заключения на уровне теории. Так, например, Смитон вывел свои максимы на основе серии экспериментов, а братья Лилиенталь сформулировали теорию полёта наблюдая за поведением крыла примерно на такой же опытной установке, которую использовал Смитон. С другой стороны, теория использовала опытные данные. Та же теорема Бетца в неявном виде включает в себя практическое знание о поведении потока ветра перед и за ветряком. Или теорема Жуковского опирается на представление о безотрывном течении, взятом из опыта. Тем не менее, разница между этими классами методов настолько велика, что их с полным правом можно рассматривать как самостоятельные. В конце ХХ века к ним добавился третий класс: численное моделирование.

Между новым классом и старыми тоже существует тесная связь. Численное моделирование имеет высокое сходство с экспериментом, разве только наблюдения проводятся не с реальным объектом, а с его математическим представлением. В то же время, математическую модель можно построить только опираясь на теорию. Но опять же, численное моделирование настолько своеобразный метод, что его необходимо рассматривать отдельно от остальных.

Прежде уже говорилось о том, что теория, описывающая поведение потока воздуха -- уравнение Навье-Стокса, появилась ещё в начале XIX века, вот только решить эту уравнение никак не удаётся до сих пор. К концу ХХ века появилась возможность решать его приближённо, с удовлетворительной для практических нужд точностью. Во-первых, были созданы математические подходы, упрощающие его решение. В начале ХХ века Прандтль ввёл понятие о пограничном слое и способ его математического описания, а в последней четверти века появились математические модели турбулентности, более-менее адекватно описывающие это своевольное явление, плохо поддающееся выражению через строго предопределённые математические формулы. Во-вторых, появилась техника, способная производить необходимые вычисления с приемлемой скоростью, то есть, моделирование как таковое. Речь идёт о компьютерах, разумеется.

Почему вообще понадобилось численное моделирование? На заре становления компьютерного эксперимента, как ещё можно назвать численное моделирование, многие специалисты не просто относились к нему критически, что методологически верно, но просто считали его блажью недоучек, которые только и умеют, что на кнопки нажимать. К сожалению, таких ретроградов и теперь найти можно, но по счастью они уже ничего из себя не представляют. Эксперимент с реальным объектом даёт куда более адекватный результат, чем эксперимент, проведённый внутри компьютера с математической моделью объекта лишь только приближенной к свойствам объекта реального, бессмысленно с этим спорить.

Проблема реального эксперимента в том, что его не всегда можно провести в заданных условиях, а экстраполяция из других условий к заданным грозит ошибкой большей, чем даёт компьютерный эксперимент. Именно с этой проблемой столкнулись ветростроители в 90-х годах. Расчёт ротора в то время производился по методикам, выведенным из простых предположений с опорой на эксперименты, проведённые в условиях, далёких от реальных. Что это означает? Здесь прежде в таблицах, описывающих параметры ветряков, приводилась информация о профиле лопасти. Обычно это были профили НАСА. Их свойства были получены на продувках неподвижных лопастей в аэродинамической трубе постоянным потоком воздуха. Затем эти свойства использовались в расчётах. Оказалось, что эти расчёты сильно отличаются от реальности. Более того, такую важную практическую задачу как концевые потери и связанный с ними шум вообще нечем рассчитывать, так как на продувках в трубе воздух движется только поперёк лопасти, а не также вдоль неё, стекая с её конца как в реальном ветряке.

Конечно, можно было проводить натурные эксперименты с реальными ветряками, но они стали очень дорогими. Каждый ветряк по миллиону денег. Хорошо было, когда турбины были маленькими. Кроме того, ветер тоже создавал проблемы. В изложении результатов программы WEGA указывалось, что такую простую характеристику как коэффициент мощности не для всех машин удалось снять полностью. Просто потому, что мало было необходимых ветров, а ведь измерения продолжались по году и более. На заре ветроэнергетики ветряные турбины продували в аэродинамических трубах, где ветер можно установить произвольно, но мегаваттный ветряк ни в какую трубу не засунешь. Что же касается уменьшенных моделей, то результаты от них пришлось бы экстраполировать, об опасности чего уже было упомянуто, рассмотрим проблему подробнее.

При масштабировании объекта его различные характеристики меняются по-разному. Соответственно, в уменьшенном (или увеличенном) объекте соотношение характеристик будет иным. Так, например, масса лопасти пропорциональна её объёму, а объём пропорционален кубу её линейного размера. Но жёсткость лопасти пропорциональна площади её сечения, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату линейного размера. То есть, если уменьшить лопасть вдвое, то соотношение её веса к жёсткости тоже изменится вдвое. Для иллюстрации этого факта существует хрестоматийный пример: муравей может поднять груз тяжелее его самого в 50 раз, а слон осилит только 1/4 своего веса. И так происходит со всеми характеристиками, а физические свойства среды и материалов (плотность, температура, давление, модуль Юнга) вовсе остаются неизменными, что тоже меняет всю картину. Посмотрите, какие номера вытворяют уменьшенные модели самолётов, вертикальный полёт, например, оригиналам такие фигуры пилотажа недоступны. Так что, опыты с уменьшенными моделями имеют очень ограниченную применимость. И тут ещё ничего не сказано о необходимости проследить жизнь конструкции на протяжении всего времени её эксплуатации (два десятка лет, как минимум). С такими требованиями разработка новый машины потребует столетий, что вряд ли приемлемо.

Выбор у ветростроителей оставался небольшой; либо остаться в ХХ веке и проектировать машины по наитию, с опорой на неточные расчёты и ограниченные серии испытаний, либо перейти к численному моделированию. Но нельзя просто так взять и перенести ветряк в память компьютера. Такое можно увидеть только в фантастических фильмах или во сне. Проблема была не столько во введении в память компьютера необходимых данных (что на рубеже веков само по себе было не слишком просто), сколько в адекватности приближённых математических моделей.

Многим почитателям "Властелина колец" хорошо известна цитата о зелёном солнце из дневников Толкиена. Дескать, каждый, кто владеет инструментом человеческой речи, способен произнести "зелёное солнце". Многие могут его представить себе или нарисовать. Но этого недостаточно... Создать Вторую Вселенную, в которой зелёное солнце себя бы оправдывало -- тяжкий труд. В численном моделировании всё ещё сложнее. Можно создать в компьютере "зелёное солнце" (ветряк в нашем случае). Вторую Вселенную создаст сам компьютер, и зелёное солнце обязательно будет в нём органично, для этого достаточно ввести в компьютер самые общие принципы. Но практически нет никаких шансов, что созданная нами Вторая Вселенная сразу будет похожа на нашу Первую, в этом проблема.

Необходимо согласовать Вторую Вселенную с Первой, подкрутив её настройки. Для задач по аэродинамике настройками являются, в первую очередь, модели пограничного слоя и турбулентности, а также входящие в эти модели параметры. Так как эти модели приближённые, то их настройки подходят только для узкого круга задач. Ветростроителям предстояло подобрать настройки к их собственным задачам. Для этого нужно было сопоставить численную модель некому эталонному ветряку, параметры работы которого хорошо известны. Причём в разных режимах работы, поскольку подстройка модели под один только режим в другом даст неверный результат. Это как в известной притче о слоне и слепых мудрецах. Чтобы составить полное представление о слоне мудрецам необходимо общупать его со всех сторон.

Надеюсь, после этого отступления смысл достижения станет понятнее.

Фаза VI в аэродинамической трубе. На малых стойках анемометры.
На левой лопасти -- датчики давления. Из отчёта NREL.

Государственная Лаборатория Энергии из возобновляемых источников (NREL) при министерстве энергетики США в 2017 году отмечает своё сорокалетие. Поначалу лаборатория занималась солнечной энергетикой, но постепенно её интересы расширились. С середины 80-х годов в NREL проводились эксперименты по аэродинамике ветряных турбин. Каждая серия таких экспериментов на новой установке нумеровалась как "фаза соответствующий номер". Что удивительно для американцев, номера не путались. Весной 2000 года лаборатория добралась до эксперимента Фаза VI (Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI). Шестая фаза решительно отличалась от предыдущих. Главной её задачей являлась калибровка математических моделей, подкрутка настроек.

Аэродинамическая труба НАСА. В кружке люди. Из отчёта NREL.

Для этой задачи требовалось замерить параметры воздуха, обтекающего ветряк, в эталонных условиях, которые можно создать только в аэродинамической трубе. Трубу взяли самую большую, какая только была у НАСА (больше ни у кого и не было). Но даже в такую трубу поместилась турбина с ротором диаметром всего десять метров. Этого уже тогда было мало, но ничего лучшего не было. Ротор двухлопастной. Турбина измерялась в различных конфигурациях: с наветренным и подветренным расположением ротора, с "качельками" и без, с различным углом атаки лопастей и различным углом по направлению к ветру. Всего было около тридцати различных конфигураций, на них не хватило букв английского алфавита. В каждой конфигурации измерения проводились при разной скорости ветра.

Визуализация кильватерного следа дымом. Из отчёта NREL.

В ходе эксперимента измерялась скорость ветра. Для этого использовались ультразвуковые анемометры, измеряющими скорость прохождения звука между источником и приёмником. Сравнивая эту скорость со скоростью звука в неподвижной среде можно получить значение скорости ветра. Такой анемометр намного точнее древних "вертушек". Измерялось давление, в том числе перед лопастью на специальных вынесенных датчиках. Давление измерялось и на многих точках по поверхности лопасти. Механическая нагрузка измерялась тензодатчиками. Также на лопастях и гондоле установили акселерометры и весоизмерительные ячейки для измерения отклонений от равномерного движения. Измерялась мощность генератора и мощность сервомоторов, вращающих лопасти. Кильватерный след визуализировался дымом. Короче говоря, измеряли всё, что только научились измерять в предыдущие фазы.

Все эти замеры были собраны, сохранены и переданы широкой общественности. С тех пор они используются для валидации математических моделей, подкрутки настроек Второй Вселенной. Фаза VI стала эталонным ветряком. Если своей компьютерной программой вы не сможете воспроизвести Фазу VI, значит у вас плохая программа. Или вы не умеете пользоваться программой, что тоже уметь надо. Самих же программ с тех пор написали множество. Существуют универсальные программные пакеты софтверных фирм, есть и узкоспециализированные программы для ветростроителей. Так, та же NREL распространяет программы своей разработки, в которых вы можете смоделировать целую ветряную ферму. Успех всех этих программ был во многом обеспечен Фазой VI. Результаты демонстрируют хорошую сходимость с реальностью, хотя место для совершенствования остаётся.

На этом, пожалуй, можно ограничиться темой численного моделирования, поскольку это самостоятельная большая история, ветроэнергетика в которой -- только одна коротенькая страница. Абзац, даже скорее.

Моделирование ветряной фермы в программе SOWFA. Из рекламы NREL.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Лихие 90-е

„Die Frage, ob dem menschlichen Denken gegenständliche Wahrheit zukomme – ist keine Frage der Theorie, sondern eine praktische Frage.“
Karl Marx: Thesen über Feuerbach.

Итак, как говорил Карл Маркс: "Практика -- критерий истины". (На самом деле он так никогда не говорил, это его марксисты-ленинцы опошлили, но не важно.) Испытания ветряных турбин мегаваттного класса по программе WEGA II проводились с конца 1992 года до конца 1997-го. Одновременно с экспериментами фирмы-производители приступили к установкам своей продукции на коммерческой основе. Не всегда это были продажи как таковые, поскольку машины были ещё сырые, скорее что-то вроде передачи в лизинг на льготных условиях, но были и продажи. Из обзора Еврокомиссии известна средняя цена таких сделок за 1997 год: 1,3 млн. экю за турбину мощностью 1,5 МВт, или 900 экю/кВт. Впрочем, всё это были единичные продажи, поэтому не следует придавать большого значения этим ценам. Всего же к концу 1997 года турбин продали в штуках:

• NEG Micon NM1500      16
• Bonus 1000                      8
• Vestas V63                       6
• ENERCON E-66             25
• NedWind NW50              6
• Nordic 1000                     1
• WEG MS4                       1

В лидерах, как видим, "Энеркон", но всё это были установки на домашнем рынке в Германии, по одной-трём штукам на каждой площадке. Только в конце 1997 года в Нижней Саксонии установили сразу восемь турбин. Кроме того, производитель постоянно совершенствовал машину, поэтому запущенная в работу в конце 1995 года первая Е-66 и Е-66, пошедшая в серию на рубеже веков, заметно отличались друг от друга. Конструкция вышла действительно необычная, сравнение вскрыло её неожиданные особенности. Несмотря на отсутствие редуктора, например, привод Е-66 (редуктор с генератором) оказался самым тяжёлым из всех участников программы WEGA. Так что, первые установки Е-66, это была скорее расширенная программа экспериментов, чем действительно коммерческие поставки.

Общая и удельная масса редуктора с генератором.

Занявший второе место NEG Micon получил своё имя только в июле 1997 года, в результате слияния "Нордтанка" с датским же "Миконом" (испытания по программе WEGA проводились с машиной "Нордтанка"). Все из 16 турбин NM1500, за исключением первой экспериментальной, тоже ушли в Германию. В декабре 1997 года 12 из них продали для ветропарка Зуструм-Ренкенберге (Sustrum/Renkenberge). Впоследствии к ним добавили ещё 20 штук и они вполне успешно работают там до сих пор. "Бонус", хотя и выставил к концу 1997 меньше турбин, чем "Нордтанк", серийные продажи начал одновременно с ним в 1998 году. В том же году "Нордтанк - Микон" купил NedWind . Компания "Вестас" заслуживает отдельного рассказа, случай для которого вскоре представится. Об остальных ничего весёлого сказать нельзя.

Вот так, буднично, прозаично и незаметно в 1998 году начались коммерческие продажи ветряных турбин мегаваттного класса. Цель, поставленную ещё в первой половине XX века, ветростроители выполнили незадолго до его конца. В лихие 90-е годы прошлого века в Европе происходило множество бурных событий: образование Евросоюза, объединение двух Германий, распад Югославии и Советского союза. Разумеется, внимание общественности было сосредоточено в первую очередь на них, а не на ветряных мельницах, о которых хотя и писали в газетах, но мало кто про них читал. К тому же, неспециалисты не понимали значения происходящего, дескать, подумаешь, сделали мельницы чуть больше, чем прежде, но они всё равно остались бесполезными игрушками, только стали более шумными и дорогими. Но специалисты-то сумели оценить, что привело к далеко идущим последствиям.

Тем самым, сформировалось два противоположных мнения; одно публичное, основанное на фактах прошедших времён, и ставшее к концу ХХ-века пустым предрассудком и мнение профессионального сообщества, опирающееся на актуальную информацию. Они существовали параллельно и, вообще говоря, не мешали друг другу. Профессионалы развивали ветроэнергетику уже имея уверенность в её экономической обоснованности, излишний шум вокруг отрасли им не требовался, продажи шли без пиара, лишняя конкуренция тоже была не нужна. К концу 1998 года в мире было установлено 9,5 ГВт ветряных мощностей, годовой прирост превысил 33%. В тоже время и противники альтернативной энергетики не сомневались в своей победе и не пинали поверженного -- доля ветра в производстве электроэнергии составляла существенно менее одного процента. Последние ещё вспомнят слова из анекдота "их нужно убивать пока они маленькие", но тогда уже будет поздно.

Здесь следует подвести черту под очередным этапом истории ветроэнергетики. Поскольку явного фаворита в гонке к мегаваттному рубежу не наблюдается, нет и какого-либо решительного технического события с точной датировкой, то будет нелишним, но даже полезным, обратиться к событиям из общественной сферы. В декабре 1997 года был составлен так называемый Киотский протокол к рамочной конвенции ООН об изменении климата. С марта 1998 года начался процесс его подписания странами-участниками. Вот это, пожалуй, будет хорошей вехой. От Чернобыля к Фукусиме до Киото.

Представление о глобальном потеплении родилось в 60-е годы прошлого века стараниями всё того же Римского клуба. Для доказательства наличия потепления (равно как и отсутствия) использовались различные факты разного уровня сомнительности. Наиболее представительным из них являются данные с метеостанций, разбросанных по земному шару. В предыдущем посте указывалось на трудность сопоставления данных хотя и однородных, но полученных из разных источников. К слову сказать, как раз в 1998 году под руководством МЭА проводилась программа испытаний ветряных турбин независимыми лабораториями по одной методике, но разными приборами (Wind Turbine Round Robin Test Program). В общем, примерно тоже самое, что и WEGA. В ходе этого Раунд-Робин теста выяснилось, что обыкновенные анемометры выдают несогласованные показания и требуют приведения к общему эталону. А ведь анемометр, это прибор, измеряющий скорость ветра, один из основных приборов метеостанций. Поверка была проведена, и с двухтысячных годов глобальное потепление замедлилось. Шутка. То есть, оба факта правда, но сведение их вместе -- шутка. К сказанному следует добавить, что весь прирост температуры за сто лет составил менее одного градуса. Поэтому не вызывает особого отторжения мнение некоторых, полагающих, что глобальное потепление есть вопрос веры. Говоря мягче, это вопрос надёжности экспертных оценок. Прояснить его здесь невозможно и не нужно.

Нам важно, что вера в потепление укрепилась к началу 90-х годов, что привело к принятию рамочной конвенции об изменении климата, а следом и к подписанию Киотского протокола к ней, призывающего страны ограничить выброс в атмосферу парниковых газов, в частности, двуокиси углерода, которая образуется при работе тепловых, особенно угольных, электростанций. Тем самым, ветроэнергетика получила ещё один импульс для своего развития, ведь ветряные электростанции СО₂ не выбрасывают. Однако преувеличивать значение Киотского протокола не следует. Как было сказано, и без него годовой прирост ветряных мощностей составил внушительную величину. Тем не менее, некоторое положительное воздействие на общественное мнение он оказывал, по крайней мере, первый десяток лет нового этапа истории ветроэнергетики.

На любительском видео день рождения с тортиком на башне в парке Зуструм-Ренкенберге, которому уже тоже скоро исполнится юбилейные 20 лет.

Назад

К оглавлению

Вперёд

По гамбургскому счёту

Сравнение турбин мегаваттного класса из обзора результатов WEGA II.

Упомянутый в прежнем сообщении обзор результатов проекта WEGA II заканчивается примирительно, дескать, пока ещё ни один из альтернативных вариантов конструкции не был повергнут другими, и всё ещё только начинается. Осторожность такого вывода в то время себя оправдывала. Действительно, различия между машинами в целом были невелики, процедуры сравнения сложны и не лишены ошибок, а статистика крайне ограничена. (В чём мы можем убедиться прямо сейчас.) Тем не менее, нужно было двигаться дальше, поэтому любая информация к размышлению представляла ценность как для создателей ветряной техники, так и для её покупателей. Провести надёжную оценку по ограниченным данным нельзя, но всегда существует возможность оценки экспертной. Несомненно такая работа была проведена всеми, кого это затрагивало. Мы тоже можем её повторить, ведь стать экспертом может любой, другое дело, что не каждый будет хорош в этой роли. Но теперь мы знаем большинство ответов, поэтому сможем проверить насколько хороши мы были как эксперты.

Для начала обезличим все десять машин, дав им в произвольном порядке условные имена WT1...WT10, как это делают на экзамене в приличных заведениях и как это было сделано в обзоре. Затем дадим каждой оценку от 1 до 10 в каждом из раундов соревнования, как можно назвать отдельные позиции для сравнения. После чего просуммируем все полученные каждой машиной оценки (для простоты, без весового коэффициента). Распределение итоговых оценок даст нам чемпиона и проигравших, которые плачут. Короче говоря, обычная индивидуальная экспертная оценка, любой желающий может её дополнить мнениями других экспертов и получить коллективную оценку, что будет надёжнее, разумеется.

В качестве первого раунда примем коэффициент мощности. Он определяется как отношение полученной электрической мощности к мощности потока ветра, проходящего через ротор турбины. Как мы знаем из теоремы Бетца, этот коэффициент не может превышать 16/27 или 0,593 для простоты. Кроме того, он непостоянен для машины и зависит от множества различных факторов, главнейшим из которых является скорость ветра. Поэтому специалисты WEGA построили для каждой машины графики зависимости коэффициента мощности от скорости ветра. На картинке внизу представлены эти графики.

Зависимость коэффициента мощности от скорости ветра (м/с).

Первым делом хотелось бы обратить внимание на некоторые особенности полученных кривых. Для турбин WT2, WT4 и WT10 часть кривой проведена пунктиром, что означает нехватку экспериментальных данных; пунктир провели посредством экстраполяции. WT9 и WT10 в области слабого ветра показывают аномально большие значения коэффициента мощности, чуть ли не подвергая сомнению теорему Бетца. Вероятно мы встречаемся здесь с систематической ошибкой вычисления коэффициента мощности. Такая ошибка может быть обусловлена малыми значениями мощности ветра (величина в знаменателе дроби), на что указывают и сами составители обзора. WT6 и WT7 при малом ветре уходят в область отрицательных значений коэффициента мощности. В реальности это означает, что ветрогенератор вместо того, чтобы производить электричество, наоборот, потребляет его. Такое бывает когда асинхронный (индукционный) генератор вращается с частотой меньшей синхронной. Тем самым мы слегка рассекретили участников, но дело не в этом.

Данные практически для всех машин в крайних областях скорости ветра демонстрируют ненадёжный результат. Поэтому для корректной оценки не следует интегрировать кривую и сравнивать полученные числа. Кроме того, простое интегрирование не даст правильного представления о ключевой характеристике ветрогенератора -- годовой наработки электричества. Высокий коэффициент при сильном ветре даст большую моментальную выработку, но сильный ветер бывает реже слабого, поэтому не ясно что лучше -- завал коэффициента в области сильных ветров или в области слабых. Поэтому имеет смысл сравнивать кривые только в среднем диапазоне, примерно от 7 до 12 м/c, где они ведут себя схожим образом. Сравнивать следует подобное с подобным.

Выделим четырёх лидеров; WT2, WT4, WT6 и WT10, они все выдают коэффициент выше 0,4 в интересующей нас области. Чемпионом среди них будет, пожалуй, последний, у него нет завала в области малых ветров. Однако WT4 не сильно от него отстаёт, кроме того, его кривая выглядит правдоподобнее (чем не следует обольщаться). Из оставшихся двух у WT2 кривая на малых ветрах чуть выше, чем у WT6 , к тому же нет ухода в отрицательную зону, но на сильных ветрах чуть хуже. В тоже время у WT2 кривая на сильном ветре экстраполированная, то есть сильно ветряная погода для него редкость, и он на неё не рассчитан, что делает его вполне адекватным поставленной задаче. Если же WT6 рассчитывали на сильные ветра, то зачем ему максимум в районе 8 м/с? То есть, я бы дал четвёрке следующие оценки:

WT10    10 баллов

WT4        9 баллов

WT2        8 баллов

WT6        7 баллов

Далее у нас есть WT8 с коэффициентом строго 0,4, он получает 6 баллов. Остаётся пятёрка аутсайдеров. Из них двое, WT1 и WT9, хороши на слабом ветре, но WT1 выглядит убедительнее WT9 с его фантастическим коэффициентом. Они получают 5 и 4 балла, соответственно. В последней тройке WT3 работает в наибольшем диапазоне ветров, 3 балла для него было бы даже маловато, если бы не скромный максимум. Чего-то ему не хватает... можно даже догадаться чего. WT5 на слабом ветре совсем никакой, получает 1 балл, WT7, соответственно, отползает с двумя. Итак, турнирная таблица после первого раунда выглядит следующим образом:

Раунд №1

WT1	WT2	WT3	WT4	WT5	WT6	WT7	WT8	WT9	WT10
5	8	3	9	1	7	2	6	4	10

В следующем раунде разыграем ещё более важную характеристику ветряных турбин, а именно, шумность. С ней всё намного сложней, чем даже с коэффициентом эффективности. Мало того, что турбины шумят с разной силой, они шумят с разной частотой, с разной направленностью и с разной эммм.... мелодией, что ли. Поэтому специалисты WEGA облегчили задачу себе, а заодно и нам, сравнивая шум от турбин по одному только параметру. Получилось просто, но, увы, не вполне адекватно. Сравнивался уровень шума в точке в десяти метрах над землёй при скорости ветра 8 м/с на уровне оси турбины (с учётом особой процедуры интегрирования по частоте звука). На самом деле эту величину не всегда измеряли напрямую, но получали путём интерполяции, поскольку не всегда появлялась возможность сделать необходимый замер. Однако даже этот параметр нельзя использовать для сравнения турбин напрямую, потому что они были разной мощности. Ведь если шум от 600-киловаттной турбины такой же как от 1,5-мегаваттной, то это совсем не одно и тоже. Поэтому была выведена теоретическая зависимость уровня шума от диаметра ротора. С помощью таких умственных костылей и производилось сравнение.

Шумность турбины в зависимости от диаметра ротора.

На графике теоретическая зависимость показана пунктиром. Ниже её располагается сплошная линия, как экспериментальная зависимость, полученная регрессионным анализом. Сразу можно увидеть, что все (за исключением одной) турбины лежат ниже теоретической зависимости, то есть, они менее шумные, чем ожидалось. Чем ниже от пунктирной кривой лежит точка, тем меньше турбина издаёт шума относительно ожидания и наоборот. Соответственно, номер 9 слёту получает "единицу", чтобы не высовывался. Глубже всех ушёл четвёртый номер, он получает "десятку". Остальные распределяются между ними. Вообще говоря, этот график ещё больше раскрывает анонимность, но не будем подглядывать.

Раунд №2

WT1	WT2	WT3	WT4	WT5	WT6	WT7	WT8	WT9	WT10
2	9	3	10	5	8	4	7	1	6

В третьем раунде оценим свойства лопастей, как одних из главных деталей ветряка. Оценку проведём по самому общему параметру, удельной массе. Конечно, интереснее было бы посмотреть на их стоимость и долговечность, но за отсутствием оных масса вполне подойдёт, так как расход материала во многом определяет цену. Масса является спорным параметром с точки зрения долговечности, но, памятуя историю, можно принять, что и для долговечности малый вес полезен. Удельная же масса вместо простой берётся исходя из всё тех же соображений приведения к некому общему. Получается же она путём деления массы лопасти на площадь, которую та ометает. Тем самым, размерность удельной массы выражается в единицах кг/м². На графике внизу приведена как просто масса в тоннах (столбики), так и удельная масса (ломаная линия).

Масса лопастей.

На графике можно заметить, что удельная масса лопастей не очень сильно отличается от турбины к турбине; максимальная всего вдвое больше минимальной. Кроме того, все лопасти можно разбить на три группы, в каждой из которой массы близки. Поэтому оценок тоже будет только три: 10, 5 и 1. Чем меньше масса, тем выше оценка, разумеется.

Раунд №3

WT1	WT2	WT3	WT4	WT5	WT6	WT7	WT8	WT9	WT10
5	5	5	10	1	1	5	10	1	10

Четвёртый раунд также будет удельным-массовым. Здесь для оценки выбрана удельная масса "машинного отделения". Масса всего того, что размещается на вершине башни, в отношении к площади, ометаемой ротором. Эта величина также измеряется в кг/м².

Масса машинного отделения.

И снова мы видим три группы, правда, в другом разбиении, к тому же среди лидеров есть отличия, поэтому оценок будет чуть больше, чем в предыдущем раунде.

Раунд №4

WT1	WT2	WT3	WT4	WT5	WT6	WT7	WT8	WT9	WT10
1	4	1	4	4	1	10	9	1	8

Заключительный раунд посвящается реальной производительности. С одной стороны он важней всех остальных, но с другой на него тоже влияют причины никак не связанные с качеством ветряка как такого. Поэтому он рассматривается наравне с остальными (без весового множителя, я имею в виду). Здесь оценивается не что иное, как коэффициент использованной мощности. Он может зависеть от местности, от погоды, от условий эксплуатации, от прочей блажи, но также нельзя отрицать зависимость его от качества самой турбины. Что хорошо в этом параметре, так его простая числовая форма, поэтому я совмещу сам коэффициент и его оценку в одной таблице.

Раунд №5

WT1	WT2	WT3	WT4	WT5	WT6	WT7	WT8	WT9	WT10
0,35	0,36	0,28	0,20	0,26	0,33	0,25	0,36	0,30	0,13
8	10	5	2	4	7	3	10	6	1

Теперь осталось просуммировать оценки и объявить победителей. Во второй строке следующей таблицы суммарный балл, а в третьей -- позиция в рейтинге:

WT1	WT2	WT3	WT4	WT5	WT6	WT7	WT8	WT9	WT10
21	36	17	35	15	24	24	42	13	35
7	2	8	3/4	9	5/6	5/6	1	10	3/4

Ну, что ж, победители и проигравшие определены. Разумеется, эту оценку не следует воспринимать слишком всерьёз. Даже тот анализ, который содержится в рассматриваемом открытом обзоре (откуда были получены все результаты), куда более содержательнее, несмотря на преднамеренную политкорректность; в нём анализируется намного больше факторов и объясняются причинно-следственные связи (задним числом всё успешно объясняется).

От себя отмечу один маленький момент: в последнем раунде две турбины показали очень плохой результат, что опустило их вниз по рейтингу и, возможно, лишило их чемпионства. Это WT4 и WT10. Можно многое рассказать почему им так не повезло (кое-что уже было сказано), но главным остаётся одно: они не были готовы к реальной эксплуатации. В другой ситуации, возможно, этим следовало бы пренебречь, но задача стояла вывести на рынок работоспособные машины, поэтому здесь всё правильно.

Теперь дело за малым, осталось раскрыть карты и посмотреть что было дальше.

WT1	WT2	WT3	WT4	WT5	WT6	WT7	WT8	WT9	WT10
Näsudden	Bonus	Aeolus	E-66	NW53	NM 1500	Nordic	Vestas	Gamma	NS4-600

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Учителя хороши уже тем, что благодаря им ребёнок с самого раннего детства обучается иметь дело с обнаглевшими дебилами.

Звёздный десант

Ten little Injuns standing in a line
Septimus Winner

К 90-м годам прошлого века Европейская комиссия превратилась из первоначально временного и консультативного образования в постоянный орган, способный принимать самостоятельные решения, а после подписания в 1992 году Маастрихского договора и вовсе в правительство Евросоюза. Как правительство, Еврокомиссия взялась за крупные научные проекты, привлекая к работе научный потенциал всей Европы. Среди таких проектов оказался и проект по ветроэнергетике, получивший звёздное имя WEGA. Под этим именем скрывался немецкий акроним Wind Energie Große Anlangen, то есть, тоже самое, что и GROWIAN, только во множественном числе и вид сбоку.  Имя WEGA появилось не сразу, вначале была исследовательская программа JOULE, которая началась в середине 80-х и породила желание начать всё сначала. Тогда JOULE стала WEGA I, а после 1993 года проект продолжился под именем WEGA II.

Помимо желания избежать путаницы и непонимания откуда взялся номер два в названии проекта, других особых причин рассказывать о программе JOULE нет. Просто перечислю машины, которые принимали в ней участие. Датская турбина датского же типа на 2 МВт в Тьереборге (Tjæreborg), и ещё две очень похожие на неё: испанская турбина AWEC-60, (фирмы M.A.N) на 1,2 МВт и английская машина в Ричборо (Richborough) на 1 МВт. Никаких новых знаний они не дали, кроме осознания необходимости улучшить конструкцию.

Другое дело WEGA II, он гарантировал результат. Всё познаётся в сравнении, как говорят некоторые, вот и этот проект предназначался для сравнения ветряков различных конструкций и от разных производителей. Экспертная группа проекта должна была привести к общему виду результаты измерений, проведённые в местах установки ветряков на оригинальном оборудовании, чтобы сравнить их и сделать выводы. Задача обработки таких данных сама по себе интересная и сложная, но за рамки этих записок выходит. Для эксперимента были выбраны десять ветрогенераторов мегаваттного класса. Серийных машин в этом классе в то время не существовало, все они были опытными, произведёнными в единственном экземпляре на основе прототипов. Производители были заинтересованы в создании таких машин, у них появлялась возможность провести испытания предкоммерческих образцов, используя господдержку (со стороны Еврокомиссии и национальных правительств). Собственно, это были их испытания, эксперты лишь консультировали и сводили вместе разнородные результаты. Вот эти машины, а так же их производители.

NM 1500/60

Фирма "Нордтанк-Микон" (NEG Micon) создала для испытаний ветрогенератор NM 1500/60. Турбина классического датского концепта на полтора мегаватта мощности, диаметр ротора 60 метров, как это уже можно понять из названия. Все характеристики этой и других турбин проекта можно узнать в отчёте для Еврокомиссии на английском языке (pdf-file, 12 MB), существуют также немецкий и французский варианты этого отчёта. Здесь я упомяну только отличительные качества именно этой машины. Ветеран датской ветроэнергетики "Нордтанк" (слился с "Микон" в 1997 году) сохранил свои старые привычки; лопасти ротора поставил сторонний производитель -- LM Glasfiber. Лопасти имели слоистую структуру: два слоя стеклопластика с пористым наполнителем между ними. Вероятно, такое усложнение потребовалось из-за необходимости сделать лопасти жёсткими, чтобы воздушные тормоза на их концах исправно работали. Другая особенность машины, это наличие в ней двух одинаковых генераторов. Не про запас, но ради оптимизации работы в разных диапазонах мощности. На малом ветре работал один генератор, а по мере возрастания мощности подключался другой. Генераторы, несложно догадаться, тоже были от стороннего производителя ("Сименс"), отсюда и такое затейливое решение.

Bonus 1 MW

Другой ветеран, "Бонус" тоже принял участие в звёздном проекте, его ветряк получил совсем прозрачное название -- Bonus 1 MW. Мегаваттный ветрогенератор хотя и был близок к датскому концепту, но "Бонус" внёс в него некоторые изменения. В роли воздушного тормоза выступали лопасти целиком, а не только их концы. Для этого каждую лопасть оснастили поворотным механизмом, с его помощью также регулировалась мощность турбины при сильном ветре. За счёт такой регулировки выдерживалась постоянная максимальная мощность, несмотря на плотность воздуха. Более ничего примечательного об этой машине сказать нельзя, что представляется несколько странным, учитывая последующие события. С другой стороны... может быть, так оно и должно было быть. Турбина "Бонуса" была просто нормальная, без отклонений, поэтому и сказать о ней ничего особенного нельзя.

E-66

"Энеркон" представил дальнейшее развитие ветрогенератора E-40, увеличив диаметр ротора с 40 до 66 метров, что и было отражено в названии -- E-66. Мощность при этом возросла до полутора мегаватт. Что же касается отличительного новшества, то им стал внешний вид ветряка, гондолы, в первую очередь. Надо заметить, что все производители на этом проекте позаботились о внешности своих машин, некоторые специально для этого приглашали дизайнерские фирмы. "Энеркон" пошёл, пожалуй, дальше всех, дизайн его ветряка разрабатывал знаменитый архитектор сэр Норман Фостер, и до сих пор его мотивы используются во всех турбинах фирмы. Каплевидная форма, которую Фостер придал гондоле, скрыла под собой кольцевой генератор большого диаметра. По этой капле энерконовские турбины можно мгновенно и безошибочно отличить от всех остальных. Мелочь, казалось бы, но фирма продемонстрировала способность быть оригинальной в деталях не в ущерб главному. Впрочем, как показала практика, видимость совсем не мелочь. Соседи E-66 пожаловались в суд на то, что по утрам тень от вращающегося ротора падает на их дома, а это бесит. С ними нельзя было не согласиться. В программу турбины прошлось внести изменения, теперь она каждый день выключалась в 8 утра и вновь включалась только в час дня. Такой график работы естественным образом не в лучшую сторону отразился на коэффициенте использованной мощности.

NW53/2/1000

Новорождённая нидерландская компания NedWind (в 1998 году поглощена "Нордтанк-Микон") выставила ветрогенератор NW53/2/1000. Цифры в названии расшифровываются следующим образом: диаметр ротора 52,6 метра, 2 бортпроводницы лопасти, 1000 кВт мощности. Двухлопастная схема намекает на то обстоятельство, что среди активов компании числились и американские тоже. Это объясняет и её быстрый технологический подъём; образовавшись в 1990 году, она уже через четыре года установила работоспособную турбину мегаваттного класса. Ротор турбины устанавливался с наветренной стороны, его стеклопластиковые лопасти поворачивались. Он мог вращаться с двумя различными фиксированными скоростями (для оптимизации соотношения окружной скорости к скорости ветра). Чуднее всего было генераторное хозяйство этого ветряка. Первоначально на нём было установлено целых шесть генераторов: четыре больших и два маленьких. Затем от маленьких удалось отказаться. Также можно отметить, что для коммерческого варианта ветряка была создана система управления на базе микропроцессора 80188C, сходного с процессорами х86, которыми оснащались первые PC. Процессор позволял пересылать данные через модем. Тем самым появлялась возможность удалённого перепрограммирования машины, а также её удалённого мониторинга, обязательной системы современного ветрогенератора.

V6.3-1.5MW

Фирма "Вестас" тоже не могла остаться в стороне от такого проекта. Её турбина V6.3-1.5MW походила на турбину "Бонуса". Или наоборот. Обе фирмы шли близкими путями. Отличие между ними сводилось, по большому счёту, к генераторному хозяйству. У "Вестас" оно было по-хитрее, лучше приспособлено к переменной нагрузке. Да и управление лопастями также было сложнее, что призвано было создать преимущество в эффективности и уменьшить шумы. Как оно получилось на самом деле, будет рассмотрено позже.

Вообще надо отметить, что все десять турбин проекта WEGA II сильно походили друг на друга. Дело тут не только в обмене идеями, но и в том, что оптимальные решения нередко обладают свойством единственности. Так очень похожи друг на друга современные авиалайнеры или автомобили класса "такси" (за исключением английских кэбов, разумеется). Ответ на вопрос "почему так получилось" можно дать в духе эволюционной теории: "потому что остальные не выжили". Из сказанного вовсе не следует, что к 90-м годам удалось достичь наилучшего решения, которое невозможно превзойти. Какие-то идеи не удавалось реализовать из-за несовершенства технологии, какие-то и вовсе не приходили в голову. Кроме того, по-прежнему существовали варианты из которых ещё только предстояло выбрать наилучший, о чём и говорит этот перечень.

Gamma 60

Следующая турбина, Gamma 60, разрабатывалась итальянской фирмой West под руководством Глиддена Домана, того самого вертолётчика, который проектировал "шведские спички". По иронии судьбы, эта его машина тоже сгорела, но виновата была уже не молния. Все ветряки проекта WEGA II оснащались надёжными громоотводами. Домана подвело отсутствие воздушного тормоза, обычный же, работающий на трении, сработал неудачно и спалил всю машину этим своим трением, на её восстановление ушло полтора года. Датский стандарт недаром в обязательном порядке включает в себя воздушный тормоз -- он снижает силу, действующую на ротор со стороны ветра, обычный же тормоз может только противопоставить силе ветра свою силу, но ветер завсегда оказывается сильней. По сравнению с предыдущей турбиной Домана, в этой были исправлены некоторые огрехи. Ротор был перемещён в наветренное положение, а скорость его вращения не фиксировалась (генератор выдавал "дикий ток", который затем выпрямлялся и преобразовывался в переменный постоянной частоты). Мощность снизили до одного мегаватта. А вот лопасти, например, изготовили по той же самой технологии американской ракетной фирмы.

Nordic 1000

Компания Nordic Windpower -- ещё один осколок зеркала Снежной королевы, шведской госпрограммы по ветроэнергетике, был приватизирован в США в 1990 году. Дальнейшая его судьба складывалась незавидно и в 2012 году он прекратил своё существование без следа. Но в 90-х ему удалось выставить на WEGA II свой мегаваттный ветряк Nordic 1000. Машина задумывалась как максимально упрощённая, облегчённая и "мягкая", уступчивая напору ветра. Таким образом планировалось снизить стоимость ветрогенерации. Двухлопастной ротор был установлен с наветренной стороны на "качельках" и с фиксированным положением лопастей. Скорость его вращения увеличивалась по мере нарастания силы ветра, пока мощность не достигала максимальной величины, после чего раскрутка ротора останавливалась и частота оставалась постоянной (25 об/мин). Стабилизация вращения происходила за счёт отрыва потока от лопастей, для минимизации потерь при отрыве, лопасти были оснащены вихрегенераторами.

MS4-600

Английская компания Wind Energy Group (в 1998 году поглощена "Нордтанк-Микон") выпускала для домашнего рынка турбины средней мощности (300 кВт). Специально для WEGA II она создала турбину MS4-600, но даже двукратное увеличение мощности не дало желаемого мегаватта. Тем не менее, и 600 киловатт было признано приемлемой величиной. Турбина получилась интересной, грех было её не протестировать. В своей "мягкости" она пошла много дальше Nordic. Трехлопастной ротор, установленный в заветренном положении, обладал гибкими лопастями. При сильном ветре они сгибались, уменьшая парусность. Ротор становился конусным с углом при вершине в 70°. Похожее решение проблемы уменьшения ветровой нагрузки использовалось и прежде, так называемая "зонтичная" схема. Машина Путнама, например, тоже складывала лопасти, он у ней они были жёсткими, из нержавейки, зато на шарнирах в ступице. Здесь же лопасти жёстко крепились к ступице (с возможностью поворота), а изгибались они за счёт собственной упругости. Основную нагрузку брали на себя стеклопластиковые лонжероны с продольным расположением армирующих волокон, что делало лонжероны устойчивыми на изгиб, остальная часть нагрузки ложилась на оболочки лопастей. Гондола тоже крепилась к башне на шарниром устройстве, что позволяло ей покачиваться. Да и сама башня была достаточно гибкая. Короче говоря, получилось что-то вроде одуванчика.

Aeolus II

Две оставшиеся машины следует рассматривать совместно: для их создания объединились немецкий и шведские заказчики, электросетевые компании, и подрядчики у них были одни и те же. Среди подрядчиков были исследовательские институты, шведская компания Kværner Turbin AB, часть норвежской группы Kværner, специализирующейся в тяжёлой промышленности, и "Мессершмитт", он участвовал в WEGA II параллельно с работой над однокрылами. На картинке слева, за "Эолом" можно увидеть одного из них. "Эол" (Aeolus II) испытывался немцами, "Нёзюдден" (Näsudden II) -- шведами. Машины были очень похожи, главное функциональное отличие заключалось в генераторном хозяйстве. Ротор "Эола" вращал с переменной скоростью синхронный генератор, а "Нёзюдден" оснащался двухскоростным индукционным генератором. Так же были отличия в башнях: "Нёзюдден 2" установили на башню его предшественника, "Нёзюддена 1".

Näsudden II

Наверное следует написать пару слов о генераторах. С "Эолом" понятно, он вырабатывал "дикий ток", который затем преобразовывался в удобоваримый вид. Генератор "Нёзюддена" был подсоединён к распределительной сети напрямую. На слабом ветре ротор турбины вращался с одной частотой (14 об/мин), присоединённый к нему через редуктор генератор выдавал в сеть напряжение заданной частоты. При сильном ветре микропроцессор переключал ротор на вращение с другой частотой (21 об/мин), а в генераторе производил переключение обмоток, из-за чего тот по-прежнему выдавал ту же самую частоту, хотя сам уже вращался с другой скоростью. Кроме того, генератор имел 3%-ное "пробуксовывание" по частоте, т.е., его скорость могла отличаться от номинальной на эти 3% без изменения частоты выходного напряжения.

В целом же обе машины имели двухлопастной ротор в наветренном положении со стеклопластиковыми лопастями с регулируемым углом атаки и выдавали по 3 мегаватта мощности.

Десять бойцов получились похожими друг на друга, но каждый имел свои особенности. Можно разделить их на две большие группы: датского и американского типа. Однако, даже в пределах одной группы различия вполне заметные. Экспертам предстояло определить, кто из них лучший, но сделать это было возможно только в полевых условиях. С этой целью звёздный десант высадился на берегах Европы, окружив старушку со всех сторон.

Назад

К оглавлению

Вперёд