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