Западная Германия подключилась ко всеобщей гонке за ветер наравне с прочими участниками, в конце семидесятых годов прошлого века. Проект по созданию ветрогенератора большой мощности был организован по обычной схеме: заказчиком выступает государство, научное руководство осуществляет госструктура (Федеральное министерство образования и научных исследований, Bundesministerium für Forschung und Technologie, BMFT), они нанимают в подрядчики частные компании. Генеральным подрядчиком немецкого проекта стала машиностроительная компания M.A.N., которая ещё с начала века выпускала грузовые автомобили. Нефтяной кризис прошёлся по ней так же, как по её датской "младшей сестре" "Нордтанку", так что у ней был прямой интерес к новой области промышленности. Финансировали же строительство и управляли им немецкие энергетические компании, что во многом предопределило результат, поскольку у энергетиков к тому времени создалась стойкая предрасположенность к атомным станциям. Проект получил поэтическое (в стиле немецкой романтики) название GROWIAN, что означает "Большая ветроэнергетическая установка" (GROße WIndenergieANlage).
Внутреннее устройство гондолы GROWIAN.
Из рекламного проспекта проекта.
Строительную площадку выбрали на севере Германии или, с географической точки зрения, на юге Ютландии, неподалёку от побережья. Ветряк заработал в октябре 1983 года, внешне он напоминал увеличенную копию StGW 34, но прежде небывалая мощность в 3 мегаватт потребовала внесения изменений в конструкцию. Как можно видеть на самой первой картинке поста, гондола крепилась на башне сверхоригинальным образом, не практиковавшемся ни до, ни после. Она была насажена на пустотелый стержень башни как мясо на шампур и могла ездить вверх и вниз по этой макаронине. Видя такие решения, поневоле начинаешь подозревать конструкторов в глумлении и непристойных намёках. Другое столь же изобретательное и несильно результативное нововведение нам уже знакомо по американскому опыту, это шарнирное крепление ветряного колеса, "качельки". Также были "усилены" лопасти; стеклопластик выполнял лишь роль внешней обшивки, формирующей аэродинамическую поверхность, несущим был стальной лонжерон.
Сечение лопасти GROWIAN.
Из рекламного проспекта фирмы.
Основные параметры ветроустановки получились следующие:
Ротор
Диаметр 100,4 метра
2 лопасти, на "качельках"
вес каждой лопасти 28 тонн
треугольные в плане
аэродинамический профиль FX-77-W-series
скорость вращения 18,5±15% об/мин
регулировка угла атаки по всему размаху лопасти
угол конусности лопастей 9°
наклон оси ротора 10°
высота оси 100 метров
заветренное расположение (на корме гондолы)
Редуктор
двухступенчатый планетарный
передаточное отношение 81
параллельная конфигурация осей
Генератор
асинхронный переменного тока 50 Гц
3000 кВт активной мощности
1500±15% об/мин
6300 В
Гондола
активное управление курсовым углом
сервопривод
Башня
пустотелый стальной цилиндр
высота 100 метров
общая масса с оборудованием 559 тонн
Рабочие характеристики
минимальная скорость ветра 5,4 м/с
номинальная скорость ветра 12 м/с
максимальная скорость ветра 24 м/с
полное время работы 420 часов
Расчётная кривая мощности.
Из рекламного проспекта проекта.
Проработал GROWIAN года три, точнее сказать сложно. Как видно из таблицы, чистое время работы составило всего 420 часов, т.е., менее 2% от общего. Уже через год примерно раздались голоса пощадить и умертвить бедняжку. Болело у него всё. В 1987 году на его месте был разбит новый ветропарк.
Устройство малого ветряка.
Из рекламы фирмы AEROMAN.
Помимо 3-мегаваттного ветряка, фирма AEROMAN, созданная MAN нарочно для ветроэнергетики, создала небольшие "ветропреобразователи" в рамках проекта KLEIWEK (Малый ветроэнергетический конвертер). По согласованию с правительством Греции, пять штук AEROMAN 11/20 (11 -- диаметр ротора в метрах, 20 -- мощность в киловаттах) сформировали ветропарк на острове Кифнос (Κύθνος), входящий в архипелаг Киклады, тот самый архипелаг, на котором впервые появились ветряные мельницы средиземноморского типа. История сделала круг. Парк на Кифносе начал свою работу в 1981 году. Тогда же и в следующем году два ветропреобразователя AEROMAN 11/11 появились в Индонезии на острове Ява, кроме того, ветряки установили на острове Роттнест (Rottnest) на западе Австралии, у города Девентер (Deventer) в Нидерландах, на острове Фемарн (Fehmarn) в Германии. Результаты их работы канули в лету, да они и не были никому нужны.
Свойства таких игрушечных вертушек уже были хорошо известны. Их имело бы смысл строить, чтобы обкатать на них технические решения, которые можно было бы потом использовать при создании ветряков средней мощности. На машинах средней мощности обкатать решения для больших машин, и только потом начать строительство большой машины, тут же маленькие строили параллельно с большим, что делало бессмысленным и то, и другое. И все всё понимали... Однако, электриков тоже можно понять; процесс создания промышленной ветроэнергетики занял бы неопределённо большое время, потребовал бы существенных финансовых затрат, а результат не был бы гарантирован. До сих пор, например, не имеет удовлетворительного практического решения проблема неравномерности выхода ветроэнергии. Электричество же Германии было нужно прямо сразу.
Волынку тянули до 1986 года, и вроде бы уже поставили крест на ветре и строительство атомных станций шло полным ходом (с 1980 по 1986 гг. мощности атомных станций в Германии увеличились втрое), но тут важный вклад в развитие альтернативных источников энергии внёс СССР, от которого подобного никак не ожидали. В апреле 1986 года произошла авария на Чернобыльской АЭС, после чего в Германии введение в строй новых атомных станций прекратилось, зато повысился интерес к ветру, история сделала ещё один круг. Но... деньги-то уже были бездарно потрачены, время потеряно. 10 лет, примерно. Никогда ещё мошенничество не приносило ничего хорошего. Не хотели создавать рабочий ветрогенератор, могли бы потратиться на повышение безопасности атомных станций, на разъяснение проблем, стоящих перед развитием ветроэнергетики, на борьбу с засухой в Сомали, наконец, а получилось как всегда: ни себе, ни людям.
Ошеломительный поток датских ветряков в Америку потеснил местных производителей, которые, как мы помним, вышли на массовый рынок не позже датчан. Однако, устремления американцев не простирались широко, они работали исключительно на фермеров и прочих маленьких и одиноких потребителей. Распределительные сети, большая энергетика, всё это громадьё им было не нужно, поэтому они оказались не готовы к лихорадке в Калифорнии, хотя и пытались составить конкуренцию. Тем более им показалось обидным, когда датчане своим фактическим провалом заодно бросили тень и на них, добросовестных производителей ветряных мельниц, которые к восьмидесятым годам прошлого века добились совершенства конструкций своих пусть и маленьких, зато работящих машин.
Ветряк, который совершенно необходимо здесь описать, крайне редко встречается в исторических обзорах, только разве что в очень узкоспециальных и то мельком (на сайте "Ветер перемен", например, ему уделено пара строк и фотографий). И это при том, что его модификации, не сильно ушедшие в сторону от прототипа, до сих пор выпускаются всё той же фирмой "Бергей" (Bergey wind power). Впрочем, может быть, именно поэтому его и не вспоминают, ибо не история, а современность. Новейшая история тяжела в изложении; ещё живы очевидцы, ещё не все награды розданы непричастным и не все невиновные наказаны. Приходится описывать то, что есть, а не то, что рассказывают. Конструкция ветряка Бергея, выдержавшая проверку временем, содержит в себе два изобретения, что представляют собой новейшую струю ветроэнергетики, в которую даже ещё не все ведущие мировые производители успели влиться .
У фирмы два основателя -- Карл и Майк Бергей (Karl Bergey&Mike Bergey). Карл прославился как конструктор легкомоторной авиации, Майк же больше специализировался по ветроэнергетике, но их совместная фирма начинается с патента Карла, в котором тот описал свою ветряную мельницу. Как именно у них это всё происходило, мне неизвестно, люди они, похоже, не очень публичные, непонятно даже, родственники ли они друг другу, или же просто однофамильцы. Изобретение было впервые опубликовано в журнале Wind Power Digest весной 1978 года, американский же патент на него за номером 4,291,235 -- в сентябре 1981 года. Первый рабочий экземпляр турбины, соответствующей патенту, закрутился ещё до его публикации, в 1980 году, а в 1983 году начался серийный выпуск 10-киловаттной машины Bergey Excel, ставшей флагманом фирмы. Уже в первые несколько лет фирма продала сотни её экземпляров.
Генератор, рисунок из патента.
Первое изобретение касалось генератора. Вал ротора (рисунок в начале поста) неподвижен, вопреки обыкновению. Вокруг него вращается насадка с лопастями и ротором генератора, который здесь внешний, а не внутренний как в большинстве генераторов. Внешнее кольцо ротора генератора (рисунок слева) составлено из двенадцати постоянных магнитов с полюсами в шахматном порядке, направленными к валу-статору, находящемуся внутри кольца магнитов. На валу установлены катушки, в которых индуцируется электрический ток, когда мимо них проходят магниты. Магнитное поле в катушке меняет своё направление двенадцать раз за один оборот ротора. В общем-то, пред нами вполне рядовой генератор на постоянных магнитах. Новация здесь в том, что он установлен на валу ветряной турбины. Не поручусь, что генератор на постоянных магнитах никогда прежде не устанавливался на ветряную турбину, но вот чтобы так, запросто, без редуктора -- никогда. Сбылась вековая мечта ветроэнергетиков, из ветрогенератора за ненадобностью был выброшен редуктор.
Хоннеф мечтал реализовать безредукторную схему на ободе ветроколеса большого диаметра, но она оказалась возможной на валу ветряка малой мощности. В чём же дело? В электронике. К середине 70-х годов прошлого века она достигла больших высот, уже компьютеры управляли ветряными мельницами. В "Икселе" обошлось без компьютера, востребованным оказалось другое достижение -- появились и стали недорогими полупроводниковые приборы, способные работать с токами большой мощности. Эти приборы были нужны, чтобы преобразовывать "дикий" ток (wild AC) с генератора в удобоваримый переменный ток постоянной частоты. "Диким" ток получался из-за того, что ротор ветряка вращался с переменной скоростью, переменной была и частота выдаваемого генератором напряжения. "Дикий" ток вначале нужно было выпрямить, а затем преобразовать в переменный ток фиксированной частоты. Без мощных полупроводников это было сделать крайне затруднительно. Похожую схему использовали в Твинд, но там от безысходности, ведь твиндовцам приходилось собирать запчасти к ветряку на помойке. Бергей же выбрал "дикий" ток сознательно и отказался от редуктора, а заодно и от токосъёмников, поскольку катушки располагались на неподвижном статоре.
Генераторы постоянного тока использовались ещё в первых ветрогенераторах, но, во-первых, генерируемый ими ток был постоянным только в том плане, что не менял полярность, в остальном же он тоже был диковат, а, во-вторых, ток уходил в аккумулятор, откуда попадал к потребителю тоже в виде постоянного тока. Чтобы преобразовать его в переменный, требовался генератор, который затруднительно собрать без полупроводников так, чтобы избежать больших потерь. Поэтому, по мере повышения мощности ветрогенераторов, конструкторы переходили к генераторам переменного тока, поскольку постоянный ток большой мощности очень неудобен в использовании. Причём, они предпочитали синхронные генераторы, которые требуют постоянной скорости вращения ротора. Асинхронный генератор хотя и может работать на разных скоростях, но у него тоже есть свои недостатки, связанные с необходимостью генерации переменного магнитного поля с частотой сети. В генераторе Бергея магнитное поле создавалось постоянными магнитами (чьё производство к тому времени тоже достигло больших успехов), поэтому поле создавать не требовалось, но расплатой за эту экономию выступала невозможность контролировать частоту выходного тока. Ток получался "диким".
Отказ от фиксации частоты вращения ротора также был сознательным. Бетц с Жуковским лихо вывели максимальную эффективность ветряка, но из их теоремы никак нельзя выяснить, как можно было бы её достичь, и до сих пор тропа к ней указана по большей части опытными, эмпирическими данными. Наиболее важные факторы, влияющие на эффективность ветряка, это форма лопастей и их количество. При одной и той же форме ротора эффективность ветряка будет зависеть от отношения скорости движения конца лопасти к скорости ветра. В англоязычной литературе это соотношение именуется tip speed ratio и обозначается буквой λ, в отечественной (у Е.М.Фатеева, например) называется числом модулей и обозначается буквой Z. Максимальная эффективность ветряка достигается тогда, когда это отношение сохраняется одним и тем же при любой скорости ветра. Опытным путём определено, что для современных трёхлопастных ветряных колёс это отношение примерно равно 7. То есть, конец лопасти должен двигаться со скоростью в семь раз большей, чем скорость ветра, а поскольку скорость ветра меняется, то и скорость вращения ротора должна меняться, если мы хотим достичь максимальной эффективности.
Ротор Бергея, из патента.
Второе изобретение из патента Бергея, это ротор (слева). Его лопасти изготавливаются из гибкого материала (стекловолокна), а на их концах прикрепляются специальные грузы, вынесенные перед входной кромкой. В общем-то, здесь тоже нет ничего особого нового, на первый взгляд. Грузы работают как центробежные регуляторы. Влекомый центробежной силой груз стремится вытянуться вдоль радиуса ветряного колеса, тем самым изгибая лопасть и меняя угол атаки на её конце (к ступице лопасть прикреплена жёстко). Нечто подобное мы видели у Сабинина с Красовским. Автор патента также не считает себя первопроходцем и указывает на пару предшественников, но именно в такой конфигурации ротор ещё нигде не встречался. Бергей перечисляет три полезные функции своего изобретения.
Во-первых, вначале работы турбины лопасти в ненапряжённом состоянии при малом ветре обеспечивают вращательный момент, подходящий для страгивания турбины с места. В покоящемся генераторе постоянные магниты ротора подмагничивают статор, из-за чего ротор со статором как бы слипаются, так что для старта нужно приложить заметное усилие. Затем, по мере возрастания скорости вращения ротора, лопасти изгибаются, закручиваются, обеспечивая оптимальную аэродинамическую эффективность при высоком λ. Во-вторых, когда скорость вращения ротора превысит расчётную, грузы дополнительно выгнут лопасти, что приведёт к отрыву потока и притормаживанию турбины. В-третьих, грузы повышают собственную частоту колебаний лопастей и предотвращают возникновение флаттера.
Ниже небольшое видео об "Икселе", которым лучше предварить выводы о плюсах и минусах ветряка. Поскольку, да...
Видео начинается с того, что ветряк не видно, но слышно. Шум, пожалуй, главный его недостаток, если не считать цены. Источник шума -- концы лопастей и грузы тоже, разумеется, добавлют. Современные модели как-то обходятся без них и шумят вроде меньше. Тем не менее, с широких концов лопастей срываются вихри, они и шумят, заодно снижая аэродинамическую эффективность (которая вряд ли может быть высокой). О цене. На сайте производителя нет прайс-листа, но примерный расчёт, который можно там найти, покопавшись поисковиком, показывает, что прибыль будет получена уже на 26-й год эксплуатации. И эти мельницы действительно столько работают, хотя на ум невольно приходят слова Великого Комбинатора о вечной игле для примуса. В качестве ещё одной ложки дёгтя добавлю, что в современных "Икселах" используются неодимовые магниты, а добыча неодима наносит существенный вред окружающей среде.
В чём же плюсы? Вот как раз в долговечности, как у иглы для примуса. Она же определяется изобретениями, описанными в патенте. Во-первых, нет редуктора, главного источника поломок. Ветряк "Иксел" стал первым безредукторным (gearless), ещё в начале 80-х годов прошлого века. Во-вторых, нет щёток и прочих токосъёмников в генераторе, что также снижает потребность в техобслуживании. В-третьих, гибкие лопасти, которые смягчают удары порывов ветра. В-четвёртых, жёсткое крепление лопасти к ступице. То самое место, где вечно рвётся, в "Икселе" сделано максимально надёжно; из всех напряжений оставлены только растягивающие, да и они приложены к широкой полосе, которую не оторвать. Судя по словам производителя, все случавшиеся с ветрогенератором проблемы сводятся к электронной части, к преобразователю.
Так что, машина получилась спорная, но для своей области удачная.
Сообщения
