Калифорнийская ветрянка

Проход Св. Горгония (San Gorgonio Pass) в Калифорнии.

В Америке 70-х существовало своё антиядерное движение. Особенное развитие оно получило в штате Калифорния, соседствующем с ядерным полигоном и знаменитым своей творческой интеллигенцией. К тому же, в Калифорнии строились атомные станции, что добавляло нервозности. В 1979 году на атомной станции Три-Май-Айленд в штате Пенсильвания случилась тяжёлая авария с расплавлением активной зоны реактора, американский Чернобыль. И хотя заметного радиоактивного выброса со станции не произошло (спасло защитное сооружение, внутри которого находился реактор), местные власти по рекомендации оператора станции провели эвакуацию населения из районов, прилегающих к станции, что не могло не вызвать бурной реакции общественности. В Калифорнии ещё до аварии проходили акции против атомной станции в каньоне Дьявола (Diablo Canyon), после же начался просто какой-то апокалипсис (вот надо было выбрать место с таким названием в религиозной стране). Так, в 1981 году на акции протеста против Дьявола было арестовано почти две тысячи манифестантов, что стало рекордом США, да и другие страны могут похвастаться такими облавами разве что в чрезвычайных ситуациях, близких к боевым действиям. Власти штата были вынуждены заморозить строительство новых атомных станций. Но Калифорния нуждалась в электричестве...

В качестве альтернативного источника энергии среди других рассматривался ветер. Хотя Калифорния не самый ветряный штат, но там есть немало подходящих для сбора ветра мест. Побережье Калифорнии отделено от материка активным геологическим разломом (сейсмическая активность региона была одним из доводов противников ядерной энергетики), из-за него рельеф местности сильно пересечённый, с протяжёнными долинами между хребтами. По этим долинам ветер несётся как по воздуховодам. Кроме того, долины маловодны и не представляют интереса для какой-то другой хозяйственной деятельности. Ресурс был, но его нечем было брать -- федеральные программы занимались наукой, их ветряки были непригодны для практического использования. Частные американские фирмы, как и в Европе, пытались занять нишу, но их техника была не лучше НАСАвской. Даже активная помощь со стороны властей штата ничего не могла сделать.

Турбина Дарье производства
фирмы "Алкоа".

Фирма "Алкоа" (Alkoa), крупный производитель алюминия, взялась построить в долине Сан-Джорджинио (San Gorgonio Pass), неподалёку от Ла-Ла-Ленда (Лос-Анджелеса) ветряную турбину модного тогда типа Дарье. Французский авиаконструктор Жорж Дарье (George Darrieus) ещё в 1931 году изобрёл ветряную турбину с вертикальной осью. Работа его турбины не зависела от направления ветра, чем турбина была похожа на китайские ветряные мельницы с парусами от джонки. Кроме того, скорость вращения ротора Дарье получалась высокой, что позволяло сэкономить на редукторе. Вообще, экономия виделась во всём: генератор можно было расположить на земле, что разгрузило бы башню, не нужны были расходы на устройство выставления турбины по ветру. Многие были очарованы хитроумным кухонным венчиком, как окрестили турбину Дарье по обе стороны океана. Проект такой турбины, например, был у знакомой нам фирмы F.L.Smidth. Но экономия всегда имеет обратную сторону, поэтому турбины Дарье получались не очень. Вот и у "Алкоа" она разрушилась. На совещании у губернатора Калифорнии, пару лет спустя после Три-Майл-Айленда, представитель фирмы Пол Воксборо (Paul Vogsburgh) сделал по поводу аварии заявление, вошедшее в историю ветроэнергетики: "У меня есть новости, хорошая и плохая. Плохо, что наша турбина сама себя убила. Хорошо, что нам не пришлось эвакуировать Лос-Анджелес".

И это была единственная хорошая новость. Плохие же новости быстро распространяются, куда быстрее, чем хорошие. Вскоре плохие новости из Калифорнии пересекли Атлантику. Бытуют различные свидетельства касательно того, кто к кому первый поехал: американцы к европейцам или наоборот. События развивались стремительно, так что вероятно ездили и те, и другие одновременно, потому как и у тех, и у других были причины. У американцев были деньги, у европейцев товар. Соединение двух интересов породило явление, вошедшее в историю под именем "Великая калифорнийская ветряная лихорадка" (The Great California Wind Rush), по примеру "золотых лихорадок" (gold rush) XIX-го века, очевидно. Откуда у европейцев появились мельницы, мы уже более-менее знаем, осталось выяснить, откуда взяли деньги калифорнийцы.

В 1974 году, в последний год своего правления Калифорнией, переоценённый актёр Рональд Рейган подписал Акт Уоррена-Алквиста о сохранении и развитии источников энергии (Warren-Alquist State Energy Resources Conservation and Development Act). В соответствии с этим актом был создан правительственный орган штата, Энергетическая комиссия (Energy Commission), под начальством губернатора и с обширными полномочиями. Фактически, комиссия стала министерством энергетики штата. Рейган, будучи консерватором, ничего такого новаторского не планировал, подписывая акт, но пришедший ему на смену Джерри Браун-младший (Edmund Gerald "Jerry" Brown Jr.) отличался необычными идеями и воспользовался данным ему инструментом в полной мере. Прошедшее время здесь не вполне уместно. Сын губернатора (поэтому младший) Джерри Браун правил штатом два срока, после чего сделал "рокировочку" с Арни и теперь вновь у руля, уже четвёртый срок, и в Калифорнии вновь лихорадка, на этот раз солнечная. В пору своего первого губернаторского срока Браун получил прозвище "Опилки-и-Ветряки" (Woodchips and Windmills) из-за своих планов использования энергии ветра и биомассы. Позднее ему дали ещё одно прозвище -- дзен-фашист, которое ещё больше говорит о его необычной натуре.

В 1978 году законодатели Калифорнии ввели налоговый кредит, который вместе с федеральными льготами позволял вдвое сокращать расходы на строительство ветроустановок. Энергетическая комиссия создала свой проект развития ветроэнергетики, поменьше, чем федеральный, но с большей практической направленностью. Кое-что на его основе было построено в самом начале 80-х, но это были плохие новости. Лихорадка началась в 1982 году, когда власти Калифорнии через свои структуры заключили первый стандартный оффер на 30 лет. Подобные контракты заключались до 1985 года, до конца второго губернаторства Опилок-и-Ветряков.

В чём заключался смысл схемы? Власти давали налоговые льготы электрораспределительной компании на весь объём её деятельности под то условие, что она будет производить закупки у поставщиков, производящих электричество из ветра с помощью ветряков определённой мощности. Поскольку компания делала большой бизнес на электричестве из традиционных источников, то её интересовала только мощность подключённых ветрогенераторов, если же с них ещё и электричество пойдёт, то будет совсем замечательно. Ради такого дела компания готова была платить ветряным поставщикам любые запрошенные ими суммы (в пределах разумного, а именно, налоговых льгот, которые по некоторым сведениям достигали 100 млн. US$ в ценах начала 80-х). Поставщики нашлись немедленно. Правда, у них не было мельниц, но имея такой контракт они готовы были найти эти чёртовы мельницы где угодно, хоть на другом конце земли. Потому что в соответствии с контрактом они получали деньги даже при неработающих ветрогенераторах.

Option A - As-available capacity based upon:
Standard Offer No. 1
Capacity Payment Schedule,
or
Forecast of Annual As-Available Capacity Payment Schedule. The as-available capacity price (first year): $_____/kW-yr.

Конечно, это был риск со стороны властей Калифорнии, но рисковали они только частью налогов одной компании. Кроме того, электричество в Калифорнии было одним из самых дорогих в штатах, так что налогов с него и с вычетами было много. Вопрос стоял не о потере денег, а выйдет ли вообще какой-нибудь толк из всей этой затеи. Поэтому контракт был составлен хитро, риски поделили, так что у поставщика не получилось бы долго совсем ничего не производить, но при этом продолжать получать оплату.

Outage periods for scheduled maintenance shall not exceed 840 hours (35 days) in any 12-month period.

Да и за произведённое электричество какие-никакие деньги шли. Тем не менее, основные выплаты были привязаны к установленной мощности. Ну и, конечно, получить заполненный экземпляр контракта с проставленными суммами и теперь нельзя.

Уже в первый год в Калифорнии установили 25-30 турбин, тогда же к гонке подключился Техас, а на следующий год Айова. В 1983 году число турбин достигло 350-ти, общей мощностью 20 МВт. Легко подсчитать, что турбины устанавливались небольшие, мощностью около 50 кВт. В 1986 году, когда налоговые льготы закончились, а цены на нефть упали до горбачёва, суммарная мощность установленных в Калифорнии ветряков достигла 1200 МВт. В одной только долине Алтамонт Пасс (Altamont Pass) понатыкали 6200 ветряков общей мощностью 583 МВт.

Алтамонт Пасс на Гугл-картах.

Все наверняка видели получившийся сюрреалистической ландшафт. Калифорнийские ветряки любят снимать в американских фильмах как депрессивные индустриальные декорации, благо из Голливуда ехать всего ничего. Теперь этот самострой потихоньку сносят, заменяя его новыми, более мощными, и, самое главное, работающими ветряными турбинами, потому как доходы от старых турбин не покрывают расходы на их содержание. Помимо экономических и эстетических претензий к железякам из 80-х есть ещё одно "э", экологическое. Как это ни странно, но злейшими противниками калифорнийского частокола стали защитники природы. Чёртовы мельницы убивают птиц. Это факт, другое дело, как он подаётся. Даже самые завышенные оценки не свидетельствуют о какой-то серьёзной угрозе. Да и не нужны тут какие-то хитрые оценки. Мельницы в Калифорнии стоят уже тридцать с лишком лет; птичий век недолог, если бы мельницы наносили популяционный ущерб, то поголовье птиц давно бы сократилось, чего не происходит. Современные мельницы тоже убивают птиц, но делают это ещё реже, так что и этой неприятности скоро станет меньше.

Вот так союз бабла и орала пробил непробиваемую брешь в стене, отделяющей ветряные мельницы от промышленной энергетики. Даже несмотря на то, что калифорнийские железяки больше стояли, чем работали, всё равно выдаваемая ими мощность составляла сотни мегаватт, что соответствует крупной промышленной электростанции. Расходы же на содержание этого зверинца хотя и были высоки, однако, вовсе не космические. К сожалению, вычислить их нельзя, но стоимость киловатт-часа можно прикинуть даже на основе чисел в этом посте. Я этого делать не стану, ибо чистая спекуляция. Осталось только объяснить, причём тут орало, но об этом в следующий раз.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Дилемма творческого человека: либо всё понятно и ничего нельзя сделать, либо непонятно что делать.

Сыны ошибок трудных

Созвездие Mod-2, фото НАСА.

А в это время на другом континенте НАСА строило новый агрегат. Наученные горьким опытом прежних упражнений, специалисты решили воплотить в новой машине, получившей имя Mod-2, сразу все рекомендации по снижению неблагоприятного воздействия башни на работу ветряка. Фирма "Боинг" установила ротор на гондолу в наветренном положении и на шарнире ("качельках"). Башню для турбины сделали обтекаемой, цилиндрической формы. Мощность генератора увеличили до 2,5 МВт. Кроме того, ветряк изготовили в трёх экземплярах, обозначенных WTS (Wind Turbine System) с порядковыми номерами 1, 2 и 3. От американских авторов можно услышать, что три Mod-2 составили первый в мире ветропарк. Это спорное утверждение. С одной стороны, Mod-2 был подключен к сети несколько позднее, чем близнецы Нибе, но, с другой стороны, тройняшки действительно работали, чего о нибийских двойняшках сложно сказать. Правда у американцев тоже не всё гладко складывалось, но, тем не менее, 19 мая 1981 года все три машины ветропарка Гудноэ Хиллз (Goodnoe Hills) в штате Вашингтон были подключены к сети.

Монтаж ротора Mod-2, архив НАСА.

Схема ступицы Mod-2, из архива НАСА.

Итак, ротор для пущей прочности сварили из стальных листов. Смелое, инновационное решение. Его диаметр (длина, поскольку геометрически он представлял собой брусок) составила 300 футов (91,5 метр) при весе 87,3 тонны. Шарнирное крепление к оси создало прежде упомянутые для такой схемы проблемы с организацией регулировки угла атаки лопастей. Совмещать поворотный механизм лопастей с шарниром не стали, но применили приём, к которому прибегали ещё Сабинин с Красовским. Лопасть поворачивалась не по всей длине, но только внешней своею частью (см. фото вверху). Кончики 13-метровой длины сделали поворотными. Поворот осуществлялся не аэродинамическими силами как у советских турбин, но принудительно с помощью гидравлики и под управлением электроники. Установка гидравлики тоже, как мы помним, была сопряжена с проблемой -- необходимостью передавать гидравлическую жидкость через подвижные соединения. Тут тоже схитрили, установив гидравлический привод непосредственно на ось ротора, тем самым жидкость нужно было подавать только через шарнир, на одном подвижном соединении сэкономили. Какое-то время это могло работать, но для опытной установки много времени и не требовалось. На рисунке справа представлена схема ступицы с механизмами. Тормоз качелек включался во время стоянки, в работе энергию колебаний поглощал специальный упругий элемент (на схеме не показан).

Монтаж башни Mod-2, из
архива НАСА.

Конструкцию башни американцы также считают пионерской, с чем совсем уже нельзя согласится. "Нордтанк" не только опередил НАСА, но его башня практически не отличалась от современных, в то время как американская использовала специфические решения, которые нынче не применяются. Во-первых, секции башни Mod-2 сваривались между собой, а не свинчивались болтами по фланцам как у всех людей. Сварной шов менее надёжен (в последствии на одном из швов обнаружили трещину), а варить снаружи и на высоте не особенно приятно. Сварочные же работы в закрытом помещении ещё хуже, в то время как болты изнутри заворачиваются прекрасно, а монтажные площадки внутри башни потом работают как рёбра жёсткости и промежуточные этажи.  Кроме того, болтовое соединение запросто разбирается, что упрощает демонтаж ветряка, который неизбежен. Во-вторых, вместо дискового фундамента "стойкого оловянного солдатика" башня устанавливалась в заглублённом "стакане", такой фундамент также более не используется, он более трудоёмкий (и вообще непонятно зачем так придумали, между нами говоря).

Стальная башня Mod-2 поднималась над землёй на 59 метров и была 3 метров в диаметре наверху и 6,4 метра внизу. Кроме того, чем уже американцы заслуженно гордятся, они поработали над тем, чтобы обезопасить башню от возможных резонансов со стороны ротора. Жёсткость башни просчитали такой, чтобы её собственная частота колебаний была в 1,3 раза больше частоты вращения ротора. Европейские же "самоварщики" делали всё без детальных расчётов, "по наитию", исходя из принципа "где сломалось, там усилить".

Коробку передач изготовили в Швеции, в славном городе Финспонг, на заводе Stal-Laval Turbine AB (ныне принадлежит Сименс). Коробка тоже инновационная, планетарная, облегчённая. Генератор синхронный на 2,5 МВт, 60 Гц, 1800 об./мин. Гидравлический привод установки курсового угла. Микропроцессорная система управления: 12 килобайт программной памяти, 4 килобайта оперативки, хватит на всё! С турбины снималась телеметрия с частотой 10 Гц, что позволяло подавать управляющие импульсы на лопасти с частотой 1 Гц. Вот так, в общих чертах.

Ротор

• Диаметр 300 футов (91,5 метра)
• 2 лопасти, на качельках
• аэродинамический профиль НАСА 230ХХ
• скорость вращения 17,5 об/мин
• регулировка угла атаки на концах лопастей
• высота оси 200 футов (61 метров)
• наветренное расположение (на носу гондолы)

Редуктор

• трёхступенчатый планетарный
• передаточное отношение 103
• гидравлическая муфта на высокоскоростной оси

Генератор

• синхронный переменного тока 60 Гц
• 2500 кВт активной мощности



Внутри башни, на самом верху,
из архива НАСА.

• 1800 об/мин

Гондола

• активное управление курсовым углом
• сервопривод

Башня

• стальной цилиндр 
• высота 59 метров
• лестница для персонала
• общая масса с турбиной 75 тонн

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 12 миль/час (5 м/с)
• номинальная скорость ветра 27,5 мили/час (12,5 м/с)
• максимальная скорость ветра 45 миль/час (20 м/с)
• полное время работы трёх ветряков в сумме 10321 часов
• средняя мощность 1,296 МВт
• полная наработка энергии ветропарком 13,379 млн. кВт*ч

Кривая производительности
(Mod-2 WTS-2), из архива НАСА

Уже через три недели после начала совместной работы троицы, 8-го июня 1981 года, первый из агрегатов, WTS-1, потерпел аварию. Во время испытания системы аварийной остановки что-то пошло не так (поворотные части лопастей не повернулись по причине засора в клапанах), что при отключённом генераторе привело к раскрутке ротора до 30 об/мин и к повреждению силового привода. Выявление причин, устранение последствий и внесение изменений в конструкцию и регламент работы всех трёх ветряков заняло почти полгода. Через год после возобновления работы, в ноябре 1982 года, WTS-1 уже самостоятельно остановился во время порывистого ветра, достигавшего скорости 18 миль в час (8 м/с). В главной, низкоскоростной оси ротора была обнаружена усталостная трещина, соединявшая многочисленные отверстия для крепежа (ещё бы, сколько на ось повесили). Тут надо понять, что это повреждение, фактически, явилось запоздалой расплатой за выбор двухлопастной схемы ротора. Были и другие неполадки, это уже по мелочи, с ними три WTS отработали до конца 1985 года, после чего были демонтированы. Три, потому что был ещё один, WTS-4, но это уже совсем другая машина с другой историей.

Критики проекта НАСА из числа европейских ветропромышленников утверждают, что проекты НАСА ничего путного не принесли, ибо не создали промышленного прототипа. Последнее верно, но из него никак не следует первое. Козьма Прутков наставлял: "Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые..." Специалисты НАСА неукоснительно следовали рекомендациям директора Пробирной палатки, и наблюдения, ими оставленные, впоследствии премного способствовали созданию ветряков мегаваттной мощности. С таким же успехом можно утверждать, что ничего путного после себя не оставили первые европейские ветропроизводители, ведь их самовары с экономической точки зрения были ничтожны, а от полного разорения этих капиталистов спасли европейские правительства и хлорофилловые марксисты. Поэтому, перейдём к конструктиву.

План ветропарка Гудноэ Хиллз, из архива НАСА.

Первым делом в НАСА определили производительность турбин и зависимость её от скорости ветра (выше, рядом с итоговой таблицей приведена картинка с экспериментальными данными). Ведь одно дело теория, а другое -- практика. Ветряных турбин такой большой мощности прежде не существовало. Имея такую зависимость, можно было изучать различные эффекты. В частности, изучили влияние ветряков друг на друга, кильватерный эффект. Ветряки были расставлены по вершинам неправильного треугольника со сторонами в 5, 7 и 10 диаметров ротора турбины (456, 641 и 915 метров, соответственно). Поэтому расстояние между стоящими друг за другом турбинами менялось в зависимости от направления ветра, но не в том смысле, что ветряки бегали по полю, просто каждый раз для замеров бралась подходящая пара, та, что стояла вдоль направления ветра. Из наблюдений было определено, что уже на расстоянии между ветряками в 7-10 диаметров их роторов ослабления мощности из-за кильватерного эффекта не происходит, хотя след, очерченный специальным дымом, простирается на много большие расстояния. Современные исследования показывают, что ослабление всё же есть, но его величина порядка процента.

Летом 1983 года проводились эксперименты с вихрегенераторами. Вихрегенераторы, это такие маленькие гибкие пластины, похожие на пёрышки птиц, которые крепятся к выпуклой стороне аэродинамического профиля, ближе ко входной кромке и препятствуют отрыву потока от поверхности. У птиц малые покровные перья также работают, кстати говоря. Прежде отрыв потока использовался в роторах с неподвижными лопастями для ограничения вращения при высокой скорости ветра. У ротора Mod-2 часть лопастей также была неподвижна и там отрыв случался слишком рано, что снижало мощность турбины. Вихрегенераторы позволили повысить "сбор" электричества с турбины на 11%. Полезная вещь, иногда применяемая до сих пор.

Изучался, конечно же, шум, издаваемый турбинами. Была проведена шестинедельная серия экспериментов, в которой замерили всё что только можно было замерить. Этих данных хватило на десять лет осмысления, по крайней мере, статьи продолжали выходить. Замеры производились на земле, на башне, в воздухе с использованием воздушных шариков, на разных расстояниях от турбин и при разных погодных условиях. Субъективные прослушивания показали, что в направлении ветра турбину становится не слышно на расстоянии более 16 её диаметров (полтора километра, шумные получились Mod-2 очень).

Зависимость частоты ветра от
его скорости, из архива НАСА.

Также был сделан существенный вклад в ветроразведку. Прежде говорилось, что метеорологические данные предоставляют только самые общие сведения о ветре в данной местности. Есть некая средняя величина, из которой крайне затруднительно получить выработку турбины. Нельзя просто взять и умножить мощность турбины при среднем ветре на время работы. Поэтому был проведён частотный анализ. На рисунке слева представлен его результат. Пунктирная линия показывает теоретическое распределение, взятое за основу при проектировании турбины. Его пик примерно приходится на "среднеметеорологическую скорость". Сплошная линия соответствует реальному распределению. Чтобы получить выработку, надо проинтегрировать по скорости и времени функцию мощности, умноженную на частотную кривую из графика слева, и пронормировать полученный результат на число часов в проинтегрированном промежутке времени. Такой будет двойной интеграл от произведения табличных функций. Звучит неприятно, но в действительности арифметика для бухучёта. Что можно сказать словами о полученном распределении? Из картинки видно, что ветра слабее среднего случаются чаще, чем ветра сильнее, что печально. Ведь мощность сильно зависит о скорости ветра, поэтому большую часть времени мощность, выдаваемая турбиной, будет ниже мощности при ветре средней скорости. Из чего следует, что для адекватного определения ветроресурса нужны многочисленные измерения с высокой частотой замеров.

Так в Америке наука постепенно продвигалась вперёд, но для практики там настали благие дни.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Добрый вторник!

Принесённые ветром

Для индивидуального использования.

В середине 70-х годов прошлого века в борьбу за призрачный рынок ветряных турбин бросились не только одиночки, но и целые компании, маленькие и средние, только крупный бизнес не вошёл в этот ветряной раж. Последующая четверть века ветроэнергетической промышленности напоминает классический капитализм с его конкуренцией, падениями, взлётами, слияниями и поглощениями. Поклонники книжек "Чипполино", "Капитал" и пр., могут найти подтверждения логическому концу этой борьбы -- появлению сверхкомпании-монополиста, но это не совсем так, точнее, совсем не так, всё получилось намного сложнее. Я не уверен, что история этих компаний и есть история ветроэнергетики последней четверти XX-го века, но и обойти её стороной я тоже не могу. Причина тому -- недостаток информации, который вызван, в значительной степени, коммерческой тайной, которая хотя уже и потеряла всякий смысл, но вместе с ним было утрачено и всё остальное. Придётся отталкиваться от официальных источников, где авторами выступают лица моральные, а не физические.

Йенсен с моделью своего ветряка, начало 80-х годов.
Из рекламного буклета Nordtank
на сайте "Ветер перемен".

Молодой датчанин Торкильд Йенсен (Thorkild Rørbaek Jensen, ушёл из жизни месяц назад), техник-самоучка, перепробовал множество работ, прежде чем в 1962 году занялся собственным бизнесом. Его идея была настолько же проста, насколько удачна. Он устанавливал на грузовики ёмкости для жидких и сыпучих грузов, превращая их в специализированные автоцистерны. Автопромышленности было тяжело одновременно обеспечивать и массовый выпуск, и большое количество модификаций, это и сейчас непросто, поэтому такие "тюнинговые" фирмы существуют до сих пор, но тогда их роль была ещё выше. Любопытно, что приблизительно в тоже самое время в Дании сходным тюнингом занималась компания, которая в последующем поглотит бизнес, начатый Йенсеном, но пока всё ещё только начиналось. Дело Йенсена шло в гору, в 1967 году он построил собственную фабрику и основал фирму Nordtank (подверглась слиянию в 1997 году, а в 2004 была поглощена). После войны Судного дня дела на фабрике пошли хуже: и возить меньше стало и перевоз вздорожал. Йенсен задумался о реструктуризации. Как было написано в одной официальной презентации, точно неизвестно, что вдохновило его на новую идею; то ли переезд семьи на ферму со старой мельницей, то ли просто ветром принесло, но в 1979 году компания Йенсена переключилась на производство ветряных мельниц.

Эскиз ветряков NTK фирмы "Нордтанк",
с сайта "Ветер перемен".

Как уже было сказано, Твинд породил волну подражателей. Поскольку полномасштабные копии большого ветряка Твинд были не по силам маленьким компаниям, они копировали меньший, "тренировочный" ветряк Твинд. Таким образом стала массовой компоновка турбины, получившая название "Датский концепт" (Danish concept). Первым датский концепт реализовал Юуль, он включает в себя трёхлопастный ротор с наветренным расположением, фиксированные лопасти с воздушными тормозами на своих кончиках и ограничением скорости вращения за счёт отрыва потока, а также асинхронный генератор и, по мнению некоторых, вращение ротора по часовой стрелке, если смотреть на турбину по ветру. О выборе направления вращения рассказывают анекдот про жену и стол, но в разных вариантах, поэтому я воздержусь от цитирования. Как турбинист я хорошо понимаю, что вопрос о хиральности не имеет никакого технического значения, но с эстетической точки зрения правило буравчика вроде как выигрывает (возможно, это как-то связано с тем, что большинство людей правши), что выступает дополнительным аргументом против анекдота, хотя да, Риисагер крутил ротор в другую сторону. Но оставим этот спор тупоконечников с остроконечниками.

Эскиз башни ветряка NTK,
с сайта "Ветер перемен".

Так вот. "Нордтанк" взялся за производство небольших турбин для отдельных домохозяйств на основе стандартного датского концепта, они даже лопасти закупали у стороннего производителя, не говоря уже об электрике. Примкнул к армии клонов, можно сказать. Инженером в компании на тот момент числился Эрик Нильсен (Erik Ørum Nielsen, не тот, что был партнёром Риисагера, тот потом пытался работать самостоятельно, другой, в Дании много и эриков, и нильсенов). Нильсен ли до того додумался, или ему спустили идею сверху, но для производства башни было решено воспользоваться прежним опытом компании. Башню свинтили из цистерн. В 1980 году был построен второй в истории ветряк с башней в виде металлической трубы. В машине Андрё, которая была первой, труба нужна была лишь как воздуховод, её дополнительно крепили с помощью растяжек, не рассчитывая на её надёжность. В "Нордтанке" несомненно знали о прекрасных несущих качествах металлического цилиндра, поэтому возложили на него всю нагрузку и не прогадали. По неизвестным мне причинам дизайн башни не был запатентован, что, впрочем, несложно понять. События развивались слишком быстро, фирмы производители ветряных турбин появились буквально в течении пары лет. Никто не знал как пойдёт дальше развитие техники, что в будущем окажется полезным, а что нет. К тому же, за патент надо платить, а денег было немного. Да и когда их бывает много?

Danregn (Bonus), полезен
тем, что серия этих
машин развивается
 до сих пор. С сайта
"Ветер перемен".

Уже в том же году фирма "Датский дождь" (Danregn, изначально производила оборудование для ирригации, после смены ориентации, в 1983 году, стала называться Bonus, продана в 2004 году) скопировала башню "Нордтанка". За ней последовали другие, в наши дни дизайн "Нордтанка" является классическим и почти безальтернативным. "Нордтанк" молодец, конечно, но и "Датский дождь" ложку мимо рта не проносил, недаром он стал единственной датской ветряной компанией, которая не потерпела экономического краха в конце XX-го века. Ведь отнюдь не все бросились строить башни из пустых бочек, некоторые отнеслись к новшеству скептически. К скептикам присоединилась и компания, впоследствии поглотившая "Нордтанк".

В народе бытует мнение о необычных прочностных свойствах труб. Специалисты знают, что это не так. Труба вовсе не прочнее стрежня того же диаметра и даже стрежня той же поперечной площади. У трубы есть некоторое преимущество перед стержнем в деле противостояния кручению. Отчасти поэтому победило фланцевое соединение лопастей со ступицей в споре с балочным (лонжеронным) креплением. Башня тоже подвергается кручению, но её никто никогда и не делал в форме монолитного стержня. Конкурентом "бочковой" башни выступала ферменная. Ажурная ферменная башня может быть легче бочковой, но она будет чуть шире, т.е., вынос будет больше. Бочковая башня проще в производстве и, что важнее, в сборке, поскольку сборку ветряных турбин приходится выполнять под открытым небом и в местах с сильными ветрами. Даосы говорят, что нет ничего полезнее пустоты. Пустота в бочковой башне оказалась очень полезной. Туда можно было прятать кабеля и прочее электрооборудование, в ней персонал добирался до механизмов гондолы. И те, и другие были защищены непроницаемыми стальными стенками от неблагоприятных факторов окружающей среды, включая сильный ветер, разумеется. Металла на такую башню уйдёт больше, но это же простая дешёвая сталь. Жёсткость тоже может быть меньше, но, как показал опыт и прежде упомянутые эксперименты НАСА, избыточная жёсткость ветряку вредна.

В завершении этого сверхкраткого обзора новорождённой ветряной индустрии, я бы дал самую общую характеристику ветряку "Нордтанка", как представителю датских клонов. Прежде я сравнивал Балаклавский ветряк с австралопитеком. Ветряки NTK в этой сравнительной антропологии я бы отнёс уже к человеческому роду, хотя и к самому его началу, к хомо эректусам. Уже человек, но ещё неразумный, хотя и с микропроцессором.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Плотники и родоначальники

Мельница Кристиана Риисагера
в Датском музее энергетики.

В Музее энергетики, что расположен в самом центре Ютландии, хранится ветряная мельница, построенная плотником Кристианом Риисагером (Christian Riisager, фото) в 1978 году. Эту мельницу использовала в своих исследованиях по датской ветряной программе лаборатория Рисё. Всего же Риисагер построил более семидесяти подобных мельниц разной мощности, став первым в новейшей истории датской ветроэнергетики серийным производителем ветряных турбин.

Начался его бизнес в 1975 году, когда 45-летний Кристиан взялся найти замену водяной мельнице на своём участке, потому что летом ручей, которым она питалась, пересыхал. Каким-то образом (есть мнение, что через сына-лётчика) Кристиану попало в руки подробное описание мельницы на Гедсере, сделанное самим Юулем. Плотник сделал деревянный ротор, такой же как у Юуля, только меньше размером, остальное же выполнил наиболее простым и традиционным способом. На фото слева можно разобрать, что мельница выставлялась по ветру с помощью виндрозы, а генератор лежал на земле, усилие же к нему со стороны ротора передавалось через вертикальный вал -- уже позабытое к тому времени решение, но обычное на старинных мукомольных мельницах.

Первая мельница была маленькой, на 7 кВт, и совсем не предназначалась для использования другими лицами, но... Кристиан самовольно подключил её к распределительной сети. Генератор-то был асинхронный, ему нужен был переменный ток для возбуждения электромагнитов. Счётчик электричества в доме Кристиана закрутился в противоположную сторону, и теперь уже не он должен был сети, а она ему. Жалоб от соседей, которых Кристиан добросовестно опросил, не поступило, и в апреле 1976 года он получил официальное разрешение на подключение, что можно считать датой начала работы частной ветряной электростанции Риисагера.

Об электростанции прознали журналисты, и один из них, с говорящей фамилией Мёллер (Torgny Møller), не только лично посетил Риисагера, но и заказал у него турбину для собственных нужд. В последствии Мёллер сыграл заметную роль в популяризации ветроэнергетики, так например, он издавал ежемесячник Windpower Monthly, старейший и наиболее авторитетный на сегодняшний день журнал по этой тематике, но тот его поступок по сути дал начало современному рынку ветряных турбин. Риисагер взял в помощь своего приятеля Эрика Нильсена (Erik Nielsen), и вдвоём они к ноябрю 1976 года закончили новую 22-киловаттную турбину. Вскоре поступил ещё один заказ от знакомого Мёллера, затем другой... В 1979 году Риисагер продал права на производство фирме Windmatic (поглощена в 1988 году). Сотрудничество с фирмой продолжалось четыре года, пока не поссорились. Затем Риисагер самостоятельно работал над проектом 45-киловаттной турбины на севере Ютландии, из которого ничего не вышло, после чего переехал к своему сыну на Фарерские острова, что между Исландией и Европой. Там у него тоже был проект на 120 киловатт, но и он продолжения не получил -- цены на нефть пошли вниз. Кристиан вернулся к плотницкой мастерской, с которой не расставался до самой своей смерти в 2008 году.

Кристиан Риисагер не был единственным частным предпринимателем 70-х, кто обратился к производству ветрогенераторов, он даже не был первым. Точное количество этих людей неизвестно, но счёт им шёл на сотни. На сайте "Ветер перемен" можно посмотреть на творения некоторых из них. Имя Риисагера стоит обособлено потому, что ему удалось наладить относительно массовое производство, а также, по всей видимости, благодаря неким его личностным качествам, о которых трудно судить людям, не бывшим с ним знакомыми, мемуары же о нём неизвестны. Движение "самодельщиков", охватившее Данию, создало сообщество по обмену идеями и опытом, взрастившее, в свою очередь, профессиональную среду массовых производителей, которых просто не было в середине 70-х.

И тут впору обратить внимание на некоторый щекотливый момент... На этих страницах прежде неоднократно утверждалось, что коммерчески успешными на рынке могут стать только турбины большой мощности (от 0,5 МВт), в то время как турбины датских родоначальников не дотягивали даже до средней мощности (от 100 кВт), как такое может быть? Всё так, поскольку прежде речь шла о рынке электроэнергии, первые же датские "самовары" торговались на рынке мечты. Покупатели и не думали получать с них прибыль, скажу больше, они не рассчитывали на безупречную работу чудо-агрегатов. По счастью, Дания страна зажиточная, электричество здесь традиционно дорогое, желающих приобрести модную и общественно полезную игрушку, от которой, всё же, будет и некоторой частный толк, нашлось немало. Покупают же люди домашних собак даже в тех странах, где собаку запросто можно подобрать на улице. Конечно, если такая собака будет стоить как слон или мегаваттный ветрогенератор, то покупателей станет намного меньше...

В нашей стране, где капитализму учились по книжкам "Незнайка на Луне", "Чипполино" и тому подобным, принято подсмеиваться над "невидимой рукой рынка" и приравнивать её к Деду Морозу. Самой руке на это отношение, конечно же, наплевать. Один из законов рынка: спрос рождает предложение. Спрос возник и предложение родилось совершенно неожиданным и непредсказанным образом где-то в богом позабытой Дании, несмотря на все преграды и трудности. Несмотря на отсутствие продукта как такового! Конечно же, такой, в некотором роде, лохотрон долго продолжаться не мог. Но невидимая рука не дремала. Менялись, соревнуясь друг с другом, продавцы, совершенствовали свои продукты, менялся спрос покупателей, открывались новые возможности, не только в маленькой Дании, но и в других странах и на других континентах...

Назад

К оглавлению

Вперёд

Фанера над Ютландией

Nibe B на переднем плане, Nibe A позади.

Европа не осталась в стороне от своего старшего слона. Датская Академия технических наук (Akademiet for de Tekniske Videnskaber) в 1975 году объявила о начале создания программы исследований ветроэнергетики. В набросках программы предполагалось, что через 10-15 лет за счёт ветра будет обеспечено 10% датских потребностей в электричестве. Такая доля была выбрана потому, что она не требует создания дополнительных резервов на случай штиля -- имеющиеся станции могут временно повысить мощность. В 1977 году программа была написана. В соответствии с ней научную часть должны были возять на себя Лаборатория Рисё (Risø) и Датский Технический университет (которые уже оказывали поддержку Твинд). В качестве же исполнителей предполагались крупные коммерческие компании. Всё как у людей, короче говоря.

Тогда же, в 1977 году, началась первая фаза программы, призванная продлиться до 1980 года. В Данию приехали специалисты из НАСА и совместно со своими датскими коллегами осуществили расконсервацию и запуск в эксплуатацию турбины на острове Гедсер. Турбина отработала до марта 1979 года и показала хорошие результаты. В тоже самое время датчане поехали в США что бы ознакомиться с американским опытом и обсудить возможную кооперацию. Помимо прочего была одна проблема -- Дания к тому времени лишилась своей авиационной отрасли, а ротор, по американскому образцу, должны были делать авиаторы. Поэтому возникло желание позаимствовать у американцев (на возмездной основе) готовый ротор, либо, если этого не получится, методики, которые позволят создать его самостоятельно. Но с этим не вышло, американцы ничего не продали... Пришлось обойтись собственными силами.

Несмотря на неизвестность, даже не дождавшись окончания испытаний на острове Гедсер, во всё том же 1977 году вблизи городка Нибе (Nibe), на крайнем севере Ютландии, началось создание двух рядом стоящих экспериментальных ветряных турбин. Предполагалось, что они станут прототипами для будущего парка из 500-600 турбин с мощностью от 0,5 до 1 МВт, которые будут построены в период между 1985 и 1990 годом, чтобы выполнить намеченный 10-ти процентный план. Прототипом же для этих турбин ожидаемо была взята турбина Гедсера, но с увеличенной до 630 кВт мощностью, т.е., больше чем в три раза. У одной из двух турбин ротор был с неподвижными лопастями, как у Гедсер, а у другой с поворотными. Диаметр его в обоих случаях был одинаковый -- 40 метров.

В производстве тоже возникла проблема -- единого подрядчика найти не удалось, поэтому заказ распределили по нескольким фирмам. Так, например, редуктор взялась изготовить знакомая нам по острову Богё фирма F.L.Smidth. В проекте Твинд она не участвовала, не договорились, надо понимать, поскольку по слухам известно, что один из её сотрудников заявил, мол, что без их помощи башня у Твинд обрушится (именно это высказывание и было запечатлено в балладе Ровикса). Правительство оказалось более договорно способным партнёром, но тоже ограниченным в средствах (финансировало проект в основном министерство энергетики и немного SEAS). Поэтому, в целях экономии, несущую часть лопастей сделали стальной, стеклопластиковой была только их оболочка.

Первую турбину, получившую имя Nibe A, подключили к сети в сентябре 1979 года, Nibe B заработала в августе 1980. Но это была не работа, а одни слёзы. Турбины, что называется, "сыпались на глазах". Основной проблемой, как не сложно теперь догадаться, были усталостные повреждения лопастей. Экспериментаторов, однако, эти неприятности не особенно беспокоили, поскольку их целью было наблюдение за аэродинамическими эффектами, такими как отрыв течения от лопастей и след, оставляемой за собой турбиной (wake). Поэтому, турбины включали только во время измерений, которые проводились нечасто, так за период с 1983 по 1991 год Nibe A отработала только несколько часов.

Иллюстрация wake effect. Кильватерный след становится
 видимым за счёт конденсации воды и появления тумана.
Автор фото неизвестен.

В Дании был накоплен большой опыт в использовании ветра, поэтому интересы датчан устремились к такому, казалось бы частному явлению как кильватерный след (wake effect). На самом деле, эти исследования не были пустой блажью, в них появилась острая необходимость. В планах стояла установка сотен ветряков, причём стоять они должны были рядом друг с другом, а из-за того, что ветер меняет своё направление, временами неизбежно должна была складываться такая ситуация, когда след от одного ветряка попадал бы на соседний. Как мы помним, ветряная турбина работает за счёт того, что забирает у ветра часть его скорости. Кроме того, в соответствии с законом сохранения момента импульса воздух за турбиной приобретает закрутку, противоположную той, что получает сама турбина. В результате скорость ветра за турбиной снижается, и воздух турбулизируется. Турбина, попавшая в такой след, снижает свою производительность, а её ротор подвергается дополнительным нагрузкам. Требовалось определить, насколько силён этот эффект, чтобы правильно расположить турбины на местности. Стоящие рядом и очень похожие друг на друга турбины Nibe были созданы для таких исследований в самом прямом смысле этого слова. И да, ветряки города Нибе -- первый в мире ветропарк.

Наработка ветряка Nibe B была намного больше, чем у его близнеца. В январе 1984 года ему поменяли лопасти. Старые пластико-стальные выбросили, поставили новые, блестящие... фанерные. В течении следующего года он работал почти непрерывно (86% времени), а к 1988 году наработка составила 18000 часов. Датская стратегическая разработка оказалась удачной, но в серию не пошла. Оболочка лопасти склеивалась из тонких деревянных полос, по существу это был тот же армированный пластик; в качестве пластика выступал клей, а вместо искусственного волокна дерево.

Схема проклейки оболочки лопасти Nibe B. Из архива НАСА.

На ветряках Нибе упражнения министерства не закончились, но продолжение оказалось ещё менее примечательным. Дело закончилось тем, что остатки ветряной программы были проданы одной коммерческой фирме, о которой ещё пойдёт речь далее. Похожим, но ещё более печальным образом развивалась госпрограмма в Нидерландах, столице ветряных мельниц. В итоге на рынке ветроэнергетики победу одержали ни госпрограммы, ни идеологи на подобии Твинд, но третья сила, те самые пресловутые лавочники.

Назад

К оглавлению

Вперёд