Прогрессоры и дауншифтеры

Чувствовали они себя, прямо скажем, не очень хорошо. Балансы в минусах, заказы на нуле, рекламации потоком. Спрос на ветряные турбины резко сократился и в Калифорнии, и в Дании, в то время как отрасль поиздержалась на расширении производства. К тому же доллар падал с пика дороговизны, что делало торговлю с США невыгодной: затраты на производство приходилось нести в тяжёлых кронах, а выплаты по контрактам шли в лёгких долларах. Это было то время, когда Америка становилась great, так это некоторые понимают. Не спасал и 100-мегаваттный контракт правительства, сетевые компании по нему ничего не покупали, потому что у производителей просто не было таких турбин, которые бы соответствовали этому контракту. Их только ещё предстояло создать, а на то нужно было время и средства.

Курс датской кроны к доллару США.

В контракте правительства указывалось, что до конца 1990 года в Дании должно быть установлено 100 мегаватт мощности (вдвое больше, чем уже было). При этом, в начальной фазе проекта мощность каждой турбины ограничивалась снизу 100-200 киловаттами, а в заключительной фазе 200-400. Однако в парке калифорнийского периода даже 100-киловаттных машин не было, в основном мощность не превосходила 50 киловатт. Причём герои лихорадки и такие машины сами не разрабатывали, а больше пользовались услугами сторонних лиц. Хотя потихоньку некоторые из них обзаводились собственными опытно-конструкторскими подразделениями.

Так, фирма "Вестас" самостоятельно разработала и внедрила в производство лопасти c аэродинамическими тормозами на концах. Новшеством такую конструкцию назвать нельзя, но это несомненно был шаг вперёд. В 1985 году "Вестас" заключила договор на поставку 1200 новейших турбин повышенной мощности V17 (90 кВт) в Калифорнию. Первую партию удалось успешно продать, но дальше подвела логистика. Вторая партия застряла на рейде порта Лос-Анджелеса: судоходная компания, перевозившая турбины, обанкротилась, и порт её не обслуживал. Когда же турбины всё-таки сгрузили, дедлайн поставки уже миновал и американский заказчик, воспользовавшись нарушением контракта, отказался оплачивать товар (его тоже можно понять). 3 октября 1986 года компания "Вестас" приостановила оплату своих счетов. Подобное, а то и хуже происходило и с другими героями Калифорнии.

Но не только частники продвигали ветроэнергетику в Дании. 1 декабря 1981 года по инициативе министерства энергетики была основана акционерная компания "Датские ветряные технологии" (Dansk Vindteknik, с 1983 года Danish Wind Technology), её целью являлась коммерциализация опыта датской программы ветроэнергетики. В создании акционерного общества приняла участие шведская электротехническая компания ASEA (ныне часть ABB), что было очень важно, поскольку прежде ветряные компании закупали уже готовую электротехнику, а это было не самым удачным вариантом. "Датские ветряные технологии" стали первой компанией с доступом к серьёзным электротехническим разработкам. Также в компанию вошла фирма "Вёлюнд" (Vølund), создавшая лопасти для ветряков, установленных у города Нибе. Позднее ещё одним акционером стала электросеть SEAS.

Windane 40, модификация
для американского рынка,
с сайта "Ветер перемен"

"Датские ветряные технологии" разрабатывали серию турбин под маркой Windane. Среди них были совсем маленькие экспериментальные, которые продолжили линейку турбин фирмы "Вёлюнд", а также турбины побольше, выпускавшиеся во множестве экземпляров, все они представляли собой уменьшенные копии ветряка Нибе В. В 1984 году сетевая компания ELKRAFT заказала у "...технологий" ветропарк из пяти турбин Windane 40. По существу, этот ветропарк должен был дополнить неудачного предшественника из Нибе. Осенью 1986 года новые турбины установили на маленьком острове Маснедё (Masnedø) в Зеландии, а в эксплуатацию они вступили 17 февраля 1987 года и проработали где-то до 1993 года. К концу этого срока они подошли в плачевном состоянии. Установкой и эксплуатацией турбин заведовала SEAS. Подробности про Windane 40 в таблице ниже.

Ротор

• Диаметр 40 метров
• 3 лопасти
• трапециевидные в плане
• аэродинамический профиль НАСА 4412-44XX
• 5,5° закрутка лопасти
• скорость вращения 34 об/мин
• регулировка угла атаки по всему размаху лопасти
• наклон оси ротора 0°
• высота оси 45 метров
• наветренное расположение

Редуктор

Пожар на Маснедё,
из ежегодного отчёта МЭА за 1987 г.

• трёхступенчатый
• передаточное отношение 53,5
• параллельная конфигурация осей
• контактная муфта на низкоскоростной оси

Генератор

• индукционный 50 Гц
• 750 кВт активной мощности
• 1520 об/мин
• 5-6,6 кВ

Гондола

• активное управление курсовым углом
• гидравлический привод

Башня

• бетонный пустотелый конус 
• высота 42 метра

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 5 м/с
• номинальная скорость ветра 14,5 м/с
• максимальная скорость ветра 25 м/с

Лопасти Windane 40 отличались от лопастей Нибе В отсутствием стального лонжерона, он был заменён стеклопластиковым, что, впрочем, не помогло. Лопасти трещали. Года через три на двух турбинах стеклопластик заменили на фанеру. На рисунке внизу представлено поперечное сечение лопасти. Трещины шли поперёк стороны давления (нижняя часть лопасти на рисунке), примерно там, где находилась трубка для балансировки, что нетрудно было бы предугадать, если было бы чем.

Турбины заработали в феврале, а уже в октябре одна из них сгорела из-за неисправности переключателя. Подвела электротехника. Шум от турбин превосходил уровень, дозволенный властями. Неисправности в редукторах принудили снизить максимальную мощность с 750 до 500 кВт. Помимо несовершенства конструкции лопастей и редукторов на них оказывала разрушающее воздействие воздушная турбулентность. Порывы ветра оказались неожиданностью для разработчиков, что представляется мне крайне странным. Турбина никак не была от них защищена. Даже башня была сделана жёсткой, бетонной, и это в середине 80-х. Понабрали студентов, как говорится. Но научные исследования, всё же, проводились.

Внизу представлены два графика, оба они показывают как менялась со временем мощность, вырабатываемая ветряками парка Маснедё. Момент времени на обоих графиках запечатлён один и тот же, продолжительностью четыре с половиной минуты (280 секунд). Отличие между графиками в том, что верхний показывает выработку от одного ветряка, а нижний от всех четырёх в сумме (без сгоревшего пятого). Если на верхнем графике мощность колеблется от ста до шестисот киловатт (то есть, меняется в шесть раз), то на нижнем от тысячи до двух тысяч киловатт (всего вдвое). Стало быть, парк из четырёх турбин имеет временную неравномерность выработки в три раза меньшую, чем одна отдельно стоящая турбина.

Вырабатываемая ветропарком Маснедё мощность, кВт,
из отчёта для Еврокомиссии.

Забегая вперёд можно сказать, что чем больше становятся размеры ветропарка, чем больше турбин он включает в себя, тем более гладкой получается кривая выдаваемой мощности. Парк на Маснедё имел небольшие размеры, сотни три метров в длину (турбины стояли почти на одной линии в направлении север-юг), а если бы он занимал большую площадь, то неравномерность стала бы совсем незначительной. И ненужны тут никакие специальные сглаживающие устройства вроде маховика Уфимцева. Впрочем, неравномерность на большем промежутке времени (сутки, сезоны, годы) расширением парка сгладить не получится. Годовые колебания выработки, например, проявляются даже на масштабе такой обширной страны как США. Годы бывают урожайными и неурожайными не только на тепло и дождь, но и на ветер тоже. Годовая выработка может отличаться год от года на десять, а то и на пятнадцать процентов.

На верхнем графике несложно разобрать колебания мощности двух разных масштабов; первые из них короткие, порядка одной секунды, они прорисовываются в кривой мелкими и частыми пиками, вторые долгие, десятки секунд и более, глубокие и непериодические. Так вот, первые колебания обусловлены турбулентной структурой воздуха, состоящего из ячеек турбулентности или вихрей. Воздействие этих вихрей и есть те самые, неоднократно упомянутые здесь, порывы ветра. К сожалению, они не настолько слабые, как может показаться из графика, просто турбина не успевает на них среагировать, их воздействие отражается не в колебаниях электрической мощности, но в механических колебаниях конструкции ветряка. Степень турбулизированности воздуха сильно зависит от характера поверхности, вдоль которой дует ветер, поэтому в некоторых местностях ветряные турбины не следует устанавливать вовсе, они там всё равно долго не продержатся.

Можно оценить размер турбулентной ячейки. Скорость ветра указана на графике -- девять метров в секунду, продолжительность порыва около секунды, стало быть, размер ячейки около десяти метров, что даже меньше размеров ротора турбины.

l≈v*t,  где l -- характерный размер ячейки, v -- скорость ветра, t -- продолжительность порыва

Поэтому одна ячейка в одно и тоже время нападает только на один ветряк, другие бьются с другими, и по времени порывы на разных ветряках не совпадают. Так что степень их усреднения зависит лишь от количества турбин.

Другое дело колебания скорости ветра большего масштаба, они не связаны с турбулентностью. Сглаживать их сложнее, зато они полностью "усваиваются" турбинами. Можно оценить их размер по той же формуле. Для колебаний в десятки секунд он получается порядка сотен метров при скорости ветра девять метров в секунду. Примерно такой же размер имел парк на Маснедё, однако этого тоже хватало для существенного сглаживания кривой мощности, поскольку не в пример турбулентным вихрям, неоднородности большего масштаба не имеют резких границ. Однако, чем больше парк, тем проще сглаживать длительные неоднородности. В современных ветропарках сотни метров составляет расстояние только лишь между соседними турбинами, а полный размер парка может быть и десять и тридцать километров. Ветру понадобится полчаса, чтобы весь его продуть насквозь.

Неоднородность ветра может быть привязана к отдельным элементам ландшафта, сама по себе являясь некой топологической поверхностью. Она неподвижна при заданном направлении ветра, но стоит ветру перемениться, поверхность изменится тоже. Этот эффект также исследовался на Маснедё. В качестве элемента ландшафта использовалось здание электростанции, оставлявшее позади себя заметный след. Сами ветряки тоже оставляют после себя кильватерный след, являясь элементами ландшафта. Кильватерному эффекту было уделено особое внимание. Ради него ветряки выстроили в один ряд. Эффект оказался силён: мощность турбины падала вдвое, когда она оказывалась в кильватере соседки. Надо было пореже ставить.

Так обстояли дела в первые годы нового этапа развития ветроэнергетики. Коммерческие производители стремились увеличить размер своих турбин, учёные -- заставить свои работать, пусть даже за счёт уменьшения размеров. Где-то посередине их усилия должны были встретиться. Второй важный момент -- подготовка к строительству крупных ветропарков. Но здесь датские ветростроители столкнулись с новой проблемой...

PS. В тексте упомянута турбина Vestas V17. На видео внизу рассказывается и показывается финал жизни одной из таких турбин (возможно, модель другая, V15 или V10, по картинке трудно определить, тем более что лопасти у ней какие-то новые, модифицированные). Какая нелепая смерть, хочется воскликнуть.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Я к вам песах, чего же боле...

Бедность -- порок

Гру Харлем Брунтланн

30 лет назад, 17 апреля 1987 года состоялся доклад комиссии ООН под председательством Гру Харлем Брунтланн (Gro Harlem Brundtland), посвящённый окружающей среде и развитию, и скромно озаглавленный как  "Наше общее будущее" (Our Common Future). Доклад явился результатом работы, начатой ещё со Стокгольмской конференции 1972 года. В нём содержалось тогдашнее видение стоящих перед человечеством проблем и давались общие рекомендации мировому сообществу. Представленный комиссией документ не следует рассматривать как некую директиву, на то у ней не было и не могло быть никаких полномочий; ООН самое большее консультативный орган. Даже Киотский протокол с его квотами, до которого, кстати, оставалось ещё десять лет, совсем необязателен к исполнению. Так что, комиссия собрала и представила соображения самого общего свойства и, в тоже время, такие, какие невозможно игнорировать, следуя определённой цели. В этом смысле рекомендации комиссии куда более обязательны, чем директива, которую можно отказаться соблюдать, но законы природы ещё никому не удалось нарушить. Цель же указывалась как устойчивое развитие (sustainable development). В докладе приводится определение этого термина, ставшее классическим:

Устойчивое развитие, это такое развитие, которое отвечает потребностям настоящего поколения без ущерба способности будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности.

Понятие устойчивого развития исходит из баланса двух идей: потребностей и возможностей окружающей среды их удовлетворить. Это именно что идеи, поскольку и то, и другое весьма субъективно. Потребности могут возникать разные, поэтому особое внимание уделяется самым необходимым, без которых жизнь невозможна. В тоже время и возможности среды зависят от того, как люди используют их для удовлетворения своих потребностей. Так что, достичь устойчивого развития можно через правильное понимание того и другого.

Казалось бы, человечеству надо умерить свои потребности и всем хватит, но не тут-то было. Такой подход прокатывал только в каменном веке. Главной бедой, бедой номер один современного человечества в докладе комиссии Брунтланн указывается бедность. Бедность, которая вынуждена нещадно эксплуатировать доставшиеся ей природные ресурсы самым примитивным и неэффективным способом. От этой беды не спасёт даже благополучие отдельных стран. Земля едина, поэтому не получится отгородиться забором от неблагополучных стран; они всё равно отравят вашу воду и воздух, испортят климат, выловят вашу рыбу, перебьют ваших птиц, будут нападать на вас и грабить. У них просто нет другого выхода. Теперь, спустя тридцать лет, можно сказать, что кое-какие подвижки в деле борьбы с бедностью произошли, но всё равно пятая часть человечества обретается в недопустимой нищете; эти люди голодают и не имеют доступа к элементарной медицинской помощи. В тоже время, как ни странно, куда хуже обстоит дело с пониманием, которое вроде бы особых затрат не требует по сравнению с борьбой с бедностью. Вот поэтому заборостроительство и продолжается.

Все остальные беды, а именно, необузданный рост, парниковый эффект, озоновая дыра (общественность впервые узнала о ней из доклада комиссии Брунтланн), загрязнение (включая радиационное), опустынивание, сокращение биоразнообразия и даже экономический кризис суть производные бедности; состояния, не позволяющего думать ни о чём другом, кроме как о сегодняшнем дне, в то время как подумать есть о чём. Например, об использовании возобновляемых источников энергии. В докладе о них немного, зато по существу.

...Некоторые из этих проблем могли бы быть решены путём более широкого использования возобновляемых источников энергии. Но эксплуатация таких возобновляемых источников как древесина и гидроэнергия также влечёт за собой экологические проблемы. Следовательно, устойчивое развитие требует чёткой фокусировки на сохранении и эффективном использовании энергии.
...Энергия ветра используется на протяжении столетий -- главным образом для перекачки воды. В последнее время её использование быстро растёт в таких регионах как Калифорния и Скандинавия. Там ветряные турбины используются для генерации в местных электросетях. Затраты на генерацию энергии ветром, которые вначале частично покрывались существенными налоговыми льготами, в Калифорнии резко сократились за последние пять лет и, возможно, ветрогенерация станет конкурентоспособной с другими видами генерации в течение следующего десятилетия (тут авторы доклада, пожалуй, не всё знали, прим. переводчика). Во многих странах имеются успешные, но небольшие программы по ветроэнергетике, однако неиспользованный потенциал всё ещё высок.
...Возобновляемые источники энергии требуют намного большего приоритета в национальных энергетических программах. Исследования, разработки и демонстрационные проекты следовало бы обеспечить необходимым финансированием для их быстрейшей реализации. Установленная мощность 10 ТВт или около того, пусть даже 3-4 ТВт, будет иметь существенное значение для принятия в будущем решения о начале поставок, особенно в развивающихся странах, где существуют предпосылки для успеха возобновляемых источников. Технологические проблемы использования возобновляемых источников незначительны по сравнению с проблемами создания социальных и институциональных структур, которые облегчат им доступ в системы электроснабжения.
...Политика в области ценообразования в энергетике играет критическую роль в стимуляции эффективности. В настоящее время она иногда проявляется в субсидиях и редко отражает реальные затраты на производство либо импорт энергии, особенно когда валюта недооценена. Очень редко она отражает в затратах потери за счёт нанесения ущерба здоровью, собственности и окружающей среде. Страны должны оценивать все косвенные и прямые субсидии для того чтобы увидеть насколько далека реальная стоимость энергии от возложенной на потребителя. Правдивое ценообразование энергии -- с гарантиями для самых бедных -- должно распространяться на все страны. Большая часть стран, как развитых, так и развивающихся, уже проводят такую политику.

Цены в евро за кВт-ч для домохозяйств в странах Европы за вторую половину 2015 года.
По данным Eurostat.

На графике вверху представлена современная картина ценообразования в Европе. Можно заметить, что из-за налогов цены для потребителя мало отражают истинную стоимость электроэнергии. Так, например, цена в Дании самая высокая не потому, что доля ветроэнергии в стране достигает 40%, а из-за того, что налоги составляют 2/3 её. Себестоимость же (нижняя часть столбца) оказывается даже ниже, чем во Франции с её атомными станциями и почти такой же как в Молдавии с её бедностью. Зато есть некоторая корреляция с доходом граждан, чем он ниже, тем ниже цена на электричество. То есть, рекомендации комиссии Брунтланн учтены, но с некоторыми поправками; гарантии получают не столько бедные люди, сколько бедные страны, а субсидии возвращаются в цену в виде налогов. Из-за чего в последнее время субсидии стараются снять; при условии снижения налогов цена на электричество при этом не изменится, а то и снизится, что, правда, нежелательно.

Высокие цены на электричество способствуют экономии и эффективному использованию энергии, а также внедрению дорогостоящего оборудования для извлечения энергии из возобновляемых источников. Так оно задумывалось, однако на практике были и другие последствия. В частности, рост затрат на промышленное производство способствовал перемещению оного в бедные страны, где стоимость электричества ниже. Этот дрейф привёл к повышению благосостояния в бедных странах (в Китае, в первую очередь), а ведь борьба с бедностью была названа важнейшей целью, поэтому неудивительно, что в десятых годах XXI-го века в Китае случился резкий рост ветроэнергетики. То есть, в итоге всё получилось хорошо, законы природы не обманешь.

Но вернёмся в Данию середины восьмидесятых годов прошлого века, посмотрим, как чувствовали себя герои калифорнийской лихорадки, внезапно оказавшиеся в ящике Шрёдингера.

Назад

К оглавлению

Вперёд

От звонка до звонка

Аварии на коммерческих
ядерных станциях, получившие
категорию по Международной шкале
ядерных событий от 1 до 7.

Периодизация истории дело конвенциональное, поскольку история процесс непрерывный. В конвенцию же всех не вовлечёшь, поэтому периоды у разных авторов не совпадают, а наиболее популярными оказываются те периодизации, что основаны на хорошо знакомых публике событиях. Поэтому я ограничу начальный этап развития современной ветроэнергетики двумя вехами. Первая уже установлена -- война Судного дня (6 октября 1973), вторая тоже упомянута -- авария на Чернобыльской АЭС (26 апреля 1986 года). За дюжину лет между ними много чего произошло, не всё начатое закончилось, но кое-что уже стало понятно, и это понимание привело к изменению направления развития отрасли.

Во-первых, стало понятно, что существующие на данный момент технологии и познания не позволяют создать ветряные электростанции, которые могли бы конкурировать с прочими. Это был большой минус. Во-вторых, мегаваттные ветряки всё-таки были построены и запущены в эксплуатацию, что доказало возможность их существования, но они были очень дороги и часто выходили из строя, поэтому этот факт в целом давал нулевой результат. Третье, положительное для ветроэнергетики событие дало общественности понимание, что с альтернативой ветру тоже не всё гладко. Я имею в виду Чернобыльскую аварию, разумеется. Её следует зачесть в плюс, как бы цинично это не звучало (у соседа лошадь сдохла). В итоге опять получился ноль, что объясняет существенное охлаждение интереса публики к ветроэнергетике в последующий период.

Но помимо публики оставались ещё энергетики, которым необходимо было решать задачи диверсификации источников энергии. Вопрос уже стоял не в исчерпаемости ресурсов, не, боже упаси, в загрязнении окружающей среды, и даже не в высокой цене ископаемого топлива, но в неустойчивости этих цен. Цены скакали в разы туда-сюда. Вести в такой ситуации сложный бизнес с долговременными вложениями представлялось крайне затруднительным. Инфляция в США за рассматриваемый период поднялась как в годы войны и временами достигала двухзначных значений. Какие же могут быть вложения с такой инфляцией? И значительную роль в росте инфляции играла неустойчивость цен на нефть.

Чернобыльская авария притормозила рост доли атомной энергии в производстве электричества. К атомщикам были предъявлены требования к повышению безопасности реакторов, что дополнительно повысило их цену. Более того, им задали вопросы по стоимости атомной промышленности в целом, которые прежде как-то уходили от внимания. Выяснилось, что в цикле ядерного производства есть элементы, уходящие в тень гостайны, либо в зону юрисдикции других стран, где скрываются той же самой тенью. Вычислить истинные затраты в этих звеньях, не обладая доступом к гостайне, не представлялось возможным. Так что, оставалось только верить на слово людям, которые озвучивали "цену атомной энергии". Однако эта вера слабела, не видя явного подтверждения со стороны лиц, которые доступ имели, и поэтому могли бы оказать поддержку атомной промышленности, ежели бы цена действительно была бы столь низка, как заявлялось, но не было от них никакого энтузиазма. Их реакция больше соответствовала официальной отговорке "без комментариев".

А тут ещё тяжёлые аварии, оценка затрат на которые невозможна даже с доступом к гостайне. Никакие средства безопасности не могут их устранить полностью. Снизить риски возможно, но довести их до нуля никак нельзя. Тяжёлая авария ядерного реактора -- явление вероятностное. Так как реакторов много, то даже если на одном из них авария возможна раз в несколько тысяч лет, то, учитывая количество реакторов в мире (с полтысячи), нужно подождать всего несколько лет. Трудно сказать, сколько именно придётся ждать и совсем не реально сказать где, что и почему выйдет из строя. Никому в голову, например, не могло прийти, что после цунами на Фукусиме штепселя в дублирующей аварийной системе не подойдут друг к другу. Такое случается один раз в несколько тысяч лет, просто не повезло.

Намного чаще аварий на атомных станциях происходят аварийные отключения энергоблоков. Это, конечно, не трагедия, но беда, ведь выключается сразу до тысячи мегаватт мощности; сети должны быстро компенсировать потерю, чтобы избежать лавины аварий. Стало быть, нужны резервные мощности. Нужны они и для управления суточной неравномерностью потребления. Управление мощностью атомного энергоблока задача не из лёгких, причём она сама служит источником аварийных отключений. Двигать стержнями туда-сюда не самое безопасное развлечение. Короче говоря, атомные станции не должны брать на себя большую долю генерации в сети. Франция только потому смогла поставить у себя столько атомных станций, что соединена сетью с остальной Европой. Так чем проблемы атомных станций легче проблем ветряных? От последних, по крайней мере, не придётся эвакуировать Лос-Анджелес.

Примерно с такими рассуждениями энергетики вступили в новый этап развития машин, преобразующих энергию ветра в энергию электрического тока. Последующие полтора десятилетия принадлежат именно им; не плотникам, не вертолётчикам, не сумасшедшим изобретателям и прожектёрам, но людям, для которых выработка электричества являлась источником средств к существованию. Этот этап пока ещё очень тёмен. Пройдёт много времени, прежде станет возможным написание достойной истории его. Уйдут свидетели, будут утрачены документы, на поверхности останется только самое ценное, как золотые крупинки в лотке старателя. А пока удовольствуемся тем немногим, что в силу тех или иных причин вышло из-под грифа "для служебного пользования".

Назад

К оглавлению

Вперёд

Солёный ветер

Пятая и последняя мельница проекта НАСА так и была названа: Mod-5. Действительно, давайте перечислим предыдущие: Mod-0, Mod-0a, Mod-1 и Mod-2. Была ещё WTS-4, которую также причисляют к этому ряду, но она не считается, потому что её привлекли задним числом, вне конкурса. Впрочем, её можно учесть, но тогда выкинуть Mod-0, как на рисунке внизу, который можно найти в Википедии. Обычная американская система нумерации, знакомая нам, например, по "Виндоус" (Windows 1, 2, 3, 95, XP, Vista, 7, 8, 10...). Всё у них так.

Линейка ветряков НАСА из отчёта НАСА для министерства энергетики, март 1984 года.

Как можно понять из картинки, Mod-5, это не конкретная машина, но очередной этап проекта (третий по счёту; первый закончился на Mod-1, а второй ограничился Mod-2). Предполагалось, что на новом этапе будет учтён опыт предыдущих, что позволит создать машину, вырабатывающую достаточно дешёвое электричество, чтобы конкурировать на рынке с электростанциями других типов. Была даже установлена целевая цена: 3,75 цента за киловатт-час. Летом 1980 года были заключены контракты с "ДжиИ" и "Боинг". Таким образом, планировались две машины; А и В, с роторами диаметром 400 и 420 футов и мощностью 6,2 и 7,2 МВт, соответственно. "ДжиИ" взялась сделать лопасти из дерева, а "Боинг" из разного другого добра, но ни одна из этих двух турбин так и не была изготовлена, осталось одно "и".

В декабре 1983 года "ДжиИ" вышла из проекта на стадии разработки, сославшись на отсутствие перспектив у ветроэнергетики, поэтому вошла в историю с большим ветряком, но бумажным. "Боинг" слегка поджался и сделал ветряк поменьше, зато настоящий (то самое "и"). Потом всё перепутали, как водится, и чудная картинка попала в Википедию, а могла бы быть такая:

Линейка ветряков НАСА из отчёта НАСА для министерства энергетики, март 1982 года.

Впрочем, такая картинка тоже неправильная, вернее будет такая, здесь и машины реальные и размеры тоже:

Линейка ветряков НАСА, как оно было на самом деле.

Ведь что было, то было, а чего не было, того не было. Время прекрасных прожектов минуло, настала пора предъявлять реальные машины. В виду вышесказанного любопытно отметить, что в открытом архиве НАСА есть подробный отчёт по несостоявшемуся Mod-5A, но нет такого же по Mod-5B (хотя он был выпущен в 1988 году). Тоже обычное дело. "Гладко было на бумаге, да забыли про овраги". Чертежи выпускаемого изделия и те часто существуют в нескольких вариантах, даже если изделие было выпущено в единственном экземпляре, что уже говорить об отчётах, их полно и половина из них -- финальные, не знаешь что класть в архив. Слегка утрирую, конечно, но в целом так. Теперь, с появлением безбумажного документооборота, ситуация значительно улучшилась, но проблемы остаются.

Mod-5B на Гавайях.

Строительство ветрогенератора завершилось в 1987 году. Место для него подобрали шикарное -- на Гавайских островах, в административном районе Кахуку (Kahuku) на острове Оаху (Oahu). На острове Оаху состредоточена почти вся жизнь Гавайских островов, тут тебе и столица -- Гонолулу, тут и Пёрл-Харбор, тут и "Парк Юрского периода" снимали. Соответственно, электропотребление большое, а генерация, что обычно для островов, дизельная, т.е., самая дорогая. К тому же здесь много ветра, поэтому неудивительно, что на острове появился ещё один ветряк НАСА (вслед за Mod-0a), ради такой уникальной локации оправданы командировки ещё и не в такую глушь.

Конструктивно Mod-5B был слегка увеличенной копией Mod-2, с одним, пожалуй, новшеством; его ротор вращался с переменной скоростью. При этом электрический ток от ветрогенератора поступал с постоянной частотой, которую обеспечивало специальное электронное устройство -- циклоконвертор. В этой схеме генератор имеет три вывода, напряжение на каждом переменное, сдвинутое по фазе относительно другого, классическая трёхфазная схема. Циклоконвертор смешивает три фазы в одну с заданной постоянной частотой. Для смешения используются электронные переключатели (тиристоры), работающие по определённой программе. Результирующий ток получается только похожим на синусоиду; прежде чем направить его в сеть, требуется дополнительное сглаживание, а там и дополнительные потери. В общем, схема получается с проблемами, за всё надо платить.

Сложение напряжений в циклоконверторе.

Поскольку Mod-5B похож на Mod-2, то полезно будет их сравнить [параметры Mod-2 даны в квадратных скобках[], если есть отличия].

Ротор

• Диаметр 320 футов (97,5 метра) [300 футов (91,5 метра)]
• 2 лопасти, на качельках
• аэродинамический профиль НАСА 230ХХ
• скорость вращения 12,9-17,3 об/мин [17,5 об/мин]
• регулировка угла атаки на концах лопастей
• высота оси 200 футов (61 метр)
• наветренное расположение (на носу гондолы)

Редуктор

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

Генератор

• индукционный переменного тока с циклоконвертором на 60 Гц [синхронный переменного тока 60 Гц]
• 3200 кВт [2500 кВт] активной мощности
• 1330-1780 об/мин [1800 об/мин]

Гондола

• активное управление курсовым углом
• сервопривод

Башня

• стальной цилиндр 
• высота 59 метров
• лестница для персонала

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)

Как говорят в подобных случаях: "Теперь с вишнёвым вкусом!" Но ирония не отражает всего существа дела. Редизайн не свёлся к одному только сомнительному циклоконвертору, на основании опыта были переработаны многие основные узлы, что заметно увеличило ресурс машины. В принципе, движение шло в правильном направлении, но, к сожалению, на том оно и прервалось.

В ежегодном докладе Международного энергетического агентства (IEA) по ветроэнергетике больших мощностей за 1989 год сохранилась информация о первом годе эксплуатации Mod-5B. Он начался в январе 1988 года и продолжился до самого конца, после чего с башни был снят генератор и тщательно очищен от осевшей на него морской соли. Солёный ветер, это не пустая метафора, а самая что ни на есть реальность. За год ветрогенератор отработал 5159 часов и намолотил 5,954 млн. кВт-ч. Тем самым, его коэффициент мощности (capacity factor) составил 21%. В прошлом посте про шведские спички эта величина уже вычислялась как отношение средней мощности к номинальной, там она получилась около одной трети. 21% заметно хуже, то тоже в пределах большинства современных величин (от 20 до 40%).

После установки воздушного фильтра, в последующие девять месяцев генератор работал с коэффициентом мощности 26%. Всего за два года он находился в эксплуатации 10252 часа и выдал 12,802 млн. кВт-ч. Также сообщается, что в процессе производилось устранение неполадок в управлении курсовым углом и в прочей механике. Дальнейшая судьба Mod-5B известна без технических подробностей. Проработал он до 1996 года, после чего остановлен по причине финансовых трудностей, с чем они были связаны, не уточняется. Сдан в утиль в 1998 году, министерство энергетики взяло себе на память редуктор с генератором. На этом и закончилась почти двадцатилетняя программа НАСА, на которую было израсходовано 330 миллионов долларов США. В общем-то, не так уж и много, с чем не сравнивай, если только не со стоимостью полученного электричества, но ведь это была исследовательская, а не коммерческая программа.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Голый король, или Крестовый поход детей.

Шведские спички

WTS-3 в Магларпе.

В посте про Mod-2 был упомянут четвёртый WTS, но на самом деле их было три. Два из них в штате Вайоминг в местечке Аптекарская лука (Medicine Bow), причём один из этих двух брат-близнец трёх вашингтонских Mod-2, про которого нечего сказать, кроме того, что он так и не заработал, по сути дела. Другой ветряк из Вайоминга, который собственно WTS-4, представлял собой увеличенную до четырёх мегаватт копию третьего, точнее, первого ветряка WTS-3 из Швеции. Так, я думаю, будет понятнее. По крайней мере, понятнее почему об этих двух из трёх четвёртых так мало пишут -- непонятно про какой писать. Мне проще, потому что предметом этих записок скорее являются идеи, а также их авторы, чем сами железяки как таковые.

Поэтому рассказ следует начать с американского авиаконструктора Глиддена Домана (Glidden S. Doman, ушёл из жизни в 2016 году), который идейно возглавил строительство ещё одной промежуточной ступени к промышленному ветрогенератору большой мощности. Глидден вырос в семье изобретателей и техников, поэтому рано приобщился к созданию машин. Ещё будучи подростком, в тридцатых годах прошлого века, он самостоятельно построил гоночный болид и даже выигрывал на нём гонки, как юный Энакин Скайуокер. Тогда же он взялся построить аэроплан, но не смог добыть к нему мотор. После окончания МГУ (Университет Мичигана) в 1942 году Глидден поступил на работу в фирму Сикорского, которого вряд ли надо представлять. Проработал он там недолго, и уже в 1945 году основал свою собственную вертолётную фирму.

Глидден Доман у своего ветролёта.

Компания просуществовала четверть века, сертифицировала несколько вертолётов, но не смогла достичь коммерческого успеха; своих средств у Глиддена не было, а направить финансовые потоки не получилось. В 1970 году он нанялся в "Боинг", где работал над снижением вибраций вертолётов. Когда "Боинг" подрядился в НАСА на постройку ветряка, Глидден подключился к этому проекту. Вероятно, это именно он подал идею использовать в ступице ветряного колеса шарнир ("качельки"), устройство, хорошо знакомое вертолётчикам. В 1978 году Глидден меняет место в "Боинге" на работу в "Гамильтон Стандард" (Hamilton Standard).

Корпорация "Гамильтон Стандард" (ныне UTC Aerospace Systems) занималась разработкой и производством авиационных пропеллеров. Её продукцию закупали "Боинг", фирма Сикорского и другие авиапроизводители, которые также являлись её акционерами. Иногда бывает выгодно передать часть разработок сторонним фирмам, несмотря на то, что они также обслуживают конкурентов, тем более, если так сложилось исторически. Такой производитель комплектующих может вкладывать больше средств в разработку, чем отдельные фирмы, поскольку собирает деньги со всех них разом. В Дании, как мы помним, аналогичным образом появился независимый производитель лопастей для ветряков, но просуществовал он недолго, собирать средства у него не получилось.

В 1977 году "Гамильтон Стандард" подписывает соглашение о долгосрочном сотрудничестве с новым партнёром, шведской судостроительной фирмой "Карлскрунаварвет" (Karlskronavarvet). Соглашение появилось не само по себе, но как часть шведской государственной программы по развитию ветроэнергетики. Датчане тоже пытались позаимствовать для своей программы достижения американских авиапроизводителей, но у них ничего из этого не вышло. Шведы поступили хитрее и взяли американцев в долю.

Внутреннее устройство WTS-3. Взято с сайта "Ветер перемен".

Глидден занялся в "Гамильтон Стандард" разработкой мощного ветряка, причём сразу в двух вариантах; одного 3-мегаваттного для Швеции и другого 4-мегаваттного для США, которые получили соответствующие имена -- WTS-3 и WTS-4. По счастью для нас, его изобретательскую работу можно проследить по патентам. У Глиддена было их множество, в основном по роторам вертолётов, но есть четыре по ветряным мельницам.

Редуктор из патента US4329117.

Первый из них, под нумером US4329117, посвящён проблеме борьбы с разрушающим воздействием порывов ветра. Патент представлен как продолжение и дополнение предыдущего патента US4193005 1978 года от "Гамильтон Стандард", в написании которого Глидден не участвовал и где описывается система управления ветряком посредством изменения угла атаки лопастей. Любопытно, что в иллюстрациях к патенту схематически, но узнаваемо изображён ветряк Mod-0. "Гамильтон Стандард" по-настоящему был "ласковым телёнком", в хорошем смысле слова. В своём патенте Глидден предложил сглаживать удары порывов ветра в подпружиненном редукторе. Прежде его роль отводилась гидравлической муфте, но, как совершенно справедливо пишет автор, такая муфта несёт изрядные потери, что снижает полезный выход ветрогенератора. Редуктор Глиддена обеспечивал равномерное вращение оси генератора, что было для того важным, ведь он был синхронным и требовал постоянства оборотов.

Редуктор, установленный на WTS.

От себя добавлю, что потери мощности выделялись бы в гидромуфте в виде тепла, которое пришлось бы каким-то образом отводить, а это непростая задача. Действительно, примем потери на муфте в 2%, что очень мало, тогда при мощности 3 мегаватта придётся отводить 60 киловатт тепла. 60 мощных электрочайника, они там всё вскипятят. Увы, но проблема возгорания перекочевала от ветряных мельниц к ветрогенераторам и потребовала внедрения в их конструкцию системы охлаждения. На WTS генератор принудительно охлаждался воздухом, а редуктор -- маслом. Планетарный редуктор из патента, установленный на WTS стал сложнее, чем принципиальная схема на рисунке, но это был всё ещё он. Такая вот рессорная подвеска. С тех пор появилось множество вариантов подобных устройств, поскольку проблема никуда не подевалась.

В патенте US4353681 Глидден предлагает выставлять турбину по ветру пассивным методом, подобно флюгеру, за счёт смещения опоры гондолы от оси ротора. Это решение использовалось на шведском ветряке, американский же был оборудован активной системой выставления курсового угла. Следующий патент US4515525 устраняет колебания гондолы по курсовому углу, возникающие из-за динамической нестабильности двухлопастного ветряка, проблема знакомая по Mod-0. Четвёртый патент US4695736 датирован 1985 годом и позволяет получать с генератора ток постоянной частоты при переменной частоте вращения ротора. WTS такой системы не имели, тем важнее для них были пружинные редукторы Глиддена Домана. В общем, в лице Глиддена шведы получили человека, который знает как заставить машину работать ровно, без излишней тряски и прочих неприятностей. Выбрали его нарочно, либо просто так совпало, я не знаю, но если всё делать с умом, то когда-нибудь совпадёт обязательно.

Лопасти "Гамильтон Стандард" -- ABL. Из архива НАСА.

Но это ещё не всё, американцы также предоставили шведам лопасти из стеклопластика совершенно оригинальной конструкции, о которой стоит здесь рассказать. Лопасти разрабатывались "Гамильтон Стандард" совместно с ABL (Allegany Ballistics Laboratory). Первые создали форму, опираясь на вертолётный опыт, вторые обеспечили технологию, используя свой опыт изготовления деталей твердотопливных ракет. Где там в ракетах применялись аналогичные конструкции мне, даже если бы я знал, следовало бы помалкивать.

Технология изготовления
лопасти WTS.

Геометрически лопатка WTS близка к лопатке Mod-1; цилиндрический лонжерон, которой служит входной кромкой аэродинамического профиля, к нему прикреплено треугольное "оперение", выполняющее роль всего остального. Производственный процесс совсем иной. Стеклопластик затвердевал на специальных болванках (оправках). Для этого на оправки последовательно наматывались волокна, пропитанные эпоксидной смолой (см. рис. слева). Процесс был автоматизирован и управлялся компьютером (контроллером). Это было первое автоматическое производство лопастей ветряных турбин из армированного пластика. Первое и на долгое время последнее, в последующем при изготовлении лопастей роль ручного труда была велика. К подобному уровню автоматизации возвращаются только в наши дни. Автоматизировать процесс в то время удалось благодаря простой геометрической форме оправок. В наше время для автоматизации требуются серьёзные роботизированные ткацкие станки и куча прочей автоматики и программного обеспечения, ведь форма лопастей усложнилась значительно. Такая простота была выбрана отнюдь не ради автоматизации, но для долговечности конструкции. Лопасть, состоящая из двух геометрических примитивов, предсказуема с точки зрения прочности. В ней нет каких-то потаённых углов, в которых могли бы спрятаться концентраторы напряжений. Цилиндрический лонжерон позволяет сформировать фланцевое соединение со ступицей ротора, а навес из выходной кромки крепится к лонжерону как к простой балке. Именно опасение получить трещину помешало перейти к монококовой конструкции с плавным переходом от фланца к выходной кромке. Такую сложную конструкцию в ту пору нельзя было не только просчитать, но даже проверить экспериментально -- набор необходимого числа циклов (десятки миллионов) занял бы длительное время.

Ниже традиционная таблица сразу для двух машин, если параметры отличаются, то они даются через слэш (WTS-3 / WTS-4). Отличия происходят из-за разницы сетевой частоты в Швеции и США, 50 и 60 Гц, соответственно.

Ротор

• Диаметр 72,2 метра
• 2 лопасти, на "качельках"
• 13° закрутка лопасти
• скорость вращения 25 / 30 об/мин
• регулировка угла атаки по всему размаху лопасти
• наклон оси ротора 0°
• конусность 6°
• высота оси 80 метров
• заветренное расположение (на корме гондолы)

Редуктор

• планетарный
• передаточное отношение 60
• пружинная амортизация порывов ветра

Генератор

• синхронный переменного тока 50 / 60 Гц
• 3 / 4 кВт активной мощности
• 1500 / 1800 об/мин
• 6,6 / 4,16 кВ

Гондола

• пассивное / активное управление курсовым углом

Башня

• стальная труба 
• высота 77,4 метра
• лифт для персонала
• общая масса с оборудованием 75 тонн

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 6 / 7,1 м/с
• номинальная скорость ветра 14,2 / 16,2 м/с
• максимальная скорость ветра 21 / 27 м/с

Турбину WTS-3 установили в местечке Магларп (Maglarp) вблизи города Треллеборга (Trelleborg) на самом южном побережье Швеции в 1982 году. Произведена турбина была, в основном, на "Карлскрунаварвет", за исключением лопастей, которые были доставлены из США. Установкой и эксплуатацией заведовала электрическая компания "Сюдкрафт" (Sydkraft, Энергетическая компания Южной Швеции, ныне E.ON Sverige AB). При установке турбины строители столкнулись с проблемой логистики. Башня была сварена целиком на верфи в Карлскруне, откуда отправлена морем в Треллеборг. Это было ещё ничего, перевести её по городским дорогам из Треллеборга в Магларп (около семи километров) оказалось совсем непросто. В последующем на логистике подорвались многие фирмы; некоторые крупногабаритные части ветряных турбин (лопасти, например) не могут быть ни изготовлены на месте, ни доставлены по частям, что создаёт массу проблем, требующих специальных технических решений.

Путешествие башни из Треллеборга в Магларп. С сайта "Ветер перемен".

Турбина проработала с 1982 по 1993 год, т.е., одиннадцать лет. Собственно, это и было её главным достижением. В первые два года эксплуатации она отработала 7500 часов и выдала 11,5 млн. кВт-ч. Её доступность (отношение времени, при котором турбина готова к работе, ко всему календарному периоду) составило 63%. Давайте проведём расчёт её средней мощности. Для этого нужно поделить выработку на отработанные часы и умножить полученный результат на доступность, чтобы перевести среднюю величину за отработанное время к календарному времени:

11,5 млн. кВт-ч / 7500 ч * 63% = 0,97 МВт (1/3 от номинальной мощности)

Вполне себе современная величина. Выработка за одиннадцать лет, посчитанная исходя из этой средней мощности, составит 93 млн. кВт-ч. Теперь, если умножить выработку на стоимость киловатт-часа и вспомнить, что современная турбина такой мощности стоит примерно пару миллионов долларов США, то её окупаемость совсем не выглядит фантастикой даже несмотря на наличие неучтённых эксплуатационных расходов. Другое дело, что опытный образец стоил существенно дороже. Сам расчёт я не привожу, поскольку стоимость электроэнергии не является какой-то фиксированной величиной, она определяется на рынках, которые очень разные, и о чём здесь уже говорилось.

Американский WTS-4 также изготовили в Швеции, за исключением лопастей и башни. Работы по нему оплатило Бюро мелиорации (Bureau of Reclamation), государственный орган, заведующий каналами и гидроэлектростанциями на западе США. В 1980 году шесть миллионов долларов пошли в "Гамильтон Стандард", который уже как-то со шведами расплачивался. Инженерную поддержку проекта осуществляли Льюесовский центр и министерство энергетики. Мелиорация появилась здесь потому, что ветрогенераторы планировалось использовать совместно гидроэлектростанциями, давняя идея как побороть проблему неравномерности ветра.

WTS-4 на Аптекарской луке.

В конце 1982 года WTS-4 был запущен на Аптекарской луке, но проблемы с электроникой не позволяли ему долго работать, остановы следовали один за другим. Потом начались проблемы с механикой (в том числе, с механизмом выставления по ветру, отсутствовавшем в WTS-3), но всего хуже были удары молний. Один удар случился в 1983 году, другой в 1986-м. Молнии выжигали электронику. Слабая защита от атмосферного электричества была присуща этой конструкции. Электроника WTS-3 в Швеции тоже была сожжена молнией (помимо молнии в Швеции были проблемы с подшипниками в ступице ротора, а за пару лет до конца обнаружилась трещина в корпусе редуктора, что вынудило уменьшить втрое максимальную мощность, а затем и вовсе вывести ветряк из эксплуатации). Бедственное существование WTS-4 в Бюро мелиорации продолжалось до января 1989 года, пока его не купил за двадцать тысяч долларов бывший инженер из бюро, 64-летний Билл Янг (Bill Young). Он потратил полтора года на ремонт машины, после чего она отработала в сети с января 1992 года по январь 1994-го в течении 3500 часов, почти столько же, сколько за всё предыдущее время. 14 января 1994 года, во время бури, Билл Янг самолично видел, как у WTS-4 оторвалась лопасть. Не выдержал шарнирный замок в ступице ротора, те самые "качельки".

Так закончилась история ветряков WTS, которых готовили для запуска в серию, но, в силу ряда объективных и субъективных причин и несмотря на долгую историю эксплуатации, не оправдавших ожидания индустрии. Не хватало им надёжности, слишком много средств уходило на ремонт. Что же касается Глиддена Домана, то он покинул в 1987 году "Гамильтон Стандард", компания к тому времени потеряла интерес к ветроэнергетике. Несмотря на пенсионный возраст, Глидден не ушёл на отдых, продолжал работать по ставшей ему близкой тематике, сотрудничал с итальянцами, но это уже другая история.

Назад

К оглавлению

Вперёд