Механика сплошных вторников

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

Звёздный десант

Ten little Injuns standing in a line
Septimus Winner

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

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

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

NM 1500/60

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

Bonus 1 MW

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

E-66

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

NW53/2/1000

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

V6.3-1.5MW

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

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

Gamma 60

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

Nordic 1000

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

MS4-600

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

Aeolus II

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

Näsudden II

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

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

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

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Разные профессии суть разные палаты одной большой психиатрической больницы.

Без шестерёнок

Безредукторный ветряк фирмы EWT,
сходный с Enercon E-40, производится
в наше время (2017 г.), фото автора.

Итак, в 1981 году Эрик Грове-Нильсен продал лопасти Алоису Воббену. Какое-то время Воббен со своим приятелем занимался ветростроительством на любительском уровне, но в 1984 году в городе Аурих (Aurich, ФРГ) он основал специализирующуюся на ветряных турбинах фирму "Энеркон" (Enercon). Ротор E-15/16, первой турбины, выпущенной этой фирмой, не отличался от прочего зоопарка калифорнийского периода: стеклопластиковые, зафиксированные лопасти производства фирмы Aero-Star, 55 кВт мощности. Башня тоже была вполне обычного для того времени ферменного типа, и даже генератор был синхронный. Однако электрика в гондоле изначально устанавливалась совсем иная. Поскольку скорость вращения ротора не фиксировалась, то генератор выдавал "дикий ток", который вначале выпрямлялся, а затем преобразовывался в переменный с постоянной частотой.

Схема уже знакомая нам, и в ту пору её нельзя было признать оптимальной: за счёт усложнения электрооборудования стоимость ветрогенератора возрастала, да и потери на преобразование давали о себе знать. Но как показали дальнейшие события, переменная частота вращения ротора не была ошибкой, но только начальной ступенью к совершенствованию производительности и экономической эффективности ветрогенераторов фирмы "Энеркон". В отличие от своих датских собратьев, немецкий "Энеркон" изначально создавался с опорой, в первую очередь, на собственные разработки, а не на производство. Собственной производственной площадкой "Энеркон" обзавёлся только в 1991 году, а свои лопасти он начал делать в 1993-м, двенадцать лет спустя после покупки первых. Всё это время было потрачено на создание оригинальной принципиальной схемы ветрогенерации.

В 1988 году следующий шаг вперёд сделала турбина E-32/100 кВт. Прогрессом здесь стало не столько увеличение мощности, сколько поворотные лопасти. Турбина имела не только переменную скорость вращения, но и переменный угол атаки лопастей, что позволяло повысить её эффективность. С неё началась подготовка к штурму следующего рубежа, взятого в 1993 году. К этому времени у "Энеркона" уже был полный цикл производства и совершенно оригинальная турбина, отличительными особенностями которой были переменная скорость вращения и поворотные лопасти, а также отсутствие редуктора.

К тому времени ветростроители уже пришли к созданию долговечных лопастей; оболочек из армированного пластика с фланцевым креплением к ступице ротора, но редуктора оставались их головной болью. Основная часть эксплуатационных затрат приходилась на их ремонт и техническое обслуживание. Проблема стала настолько серьёзной, что в очередной раз послужила причиной разговоров о бесперспективности ветроэнергетики. На своём новом ветрогенераторе E-40 "Энеркон" использовал решение, уже испробованное на малых турбинах фирмы "Бергей" ещё за десять лет до того. Но тут был совсем иной масштаб, иная сложность техники. 500 киловатт, рубеж между средней и большой мощностью, регулируемый ротор, ничего этого никогда не было у "Бергея" ни до, ни после.

Механизм турбины E-40, из рекламного проспекта.

"Энеркон" разработал для новой турбины специальный кольцевой генератор (см. картинку вверху). В нём можно найти отражение идеи Хоннефа: если нет возможности заставить ротор крутиться быстрее, тогда нужно увеличить его диаметр, и катушки ротора и статора будут быстрее двигаться относительно друг друга. Только Хоннеф хотел совместить ротор турбины с ротором генератора, а в "Энерконе" генератор разместили параллельно ротору турбины, что позволило сделать его меньшего размера -- всего четыре метра, одна десятая диаметра ветряного колеса. Тем не менее, даже четырёхметровый генератор значительно вышел за пределы ступицы, что обусловило необычный вид гондолы с кольцеобразным утолщением. Имея 84 полюса и при минимальной скорости вращения ветряного колеса в 18 об/мин, генератор обеспечивал необходимую ЭДС при разумных размерах катушек.

В последующем, по мере того как росли размеры новых турбин, кольцо генератора удалось полностью уместить внутри гондолы. Поэтому, несмотря на то, что гондолы современных ветряков "Энеркон" выглядят иначе, внутри них такие же кольцеобразные генераторы. Разумеется, изготовление столь необычного генератора требует и ноухау, и соответствующих производственных мощностей, которых у других ветростроителей не было в то время. В рекламе турбина E-40 называлась "Die technische Sensation",  "revolutionär", что, несомненно, имело под собой все основания. Однако, конкуренты не торопились воспроизводить схему "Энеркона", несмотря на то, что она не была запатентована. Помимо прочих сложностей они, надо понимать, сомневались в другом рекламном лозунге: "unglaublich wirtschaftlich" (невероятно экономично). Прошли долгие годы, прежде чем они смогли убедиться в его правоте. Ну, а пока "Энеркон" завоёвывал немецкий рынок, где стал не просто лидером, но даже чуть ли не монополистом. Благо как раз в 1993 году в Германии началась своя госпрограмма на 250 МВт ветряных мощностей (по данным МЭА, к октябрю 1993 года в стране было установлено 158,6 МВт). Теперь все эти цифры звучат смешно, конечно.

Остальные характеристики ветряка были следующие:

Ротор

• Диаметр 40 метров
• 3 лопасти
• скорость вращения 18-34 об/мин
• регулировка угла атаки
• высота оси 40-44 метра
• встроенный громоотвод в каждой лопасти



Enercon E-40

• наветренное расположение

Редуктор

• отсутствует

Генератор

• кольцевой
• 500 кВт активной мощности

Гондола

• активное управление курсовым углом
• демпфирующий подшипник скольжения

Башня

• бетонная/стальная труба 
• высота 40-44 метра
• лестница для персонала

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 2,5 м/с
• номинальная скорость ветра 13 м/с
• максимальная скорость ветра 25 м/с

Кривая мощности E-50, из рекламного проспекта.

Среди вышеперечисленных характеристик следует отметить очень низкую стартовую скорость. Слабый ветер даёт существенно меньший выход электричества, чем сильный, из-за кубической зависимости от скорости ветра. Поэтому турбины, как правило, оптимизировали на сильный ветер, первые датские не работали на ветре меньше 5 м/c вовсе. Для местности с сильными ветрами такой режим работы вполне оправдан; не так много можно потерять из-за простоев, чем из-за неоптимальной работы ротора на сильном ветре. Но сильный ветер част не везде, и в таких местах простои из-за штиля делают ветряк бесполезным, однако и на сильном ветре терять не хочется. Низкая стартовая скорость E-40 обеспечивалась поворотным механизмом лопастей, устанавливавшим лопасть в положение с максимальным вращающим моментом для текущей скорости ветра. Отсутствие редуктора также сыграло свою роль -- трение в шестерёнках увеличивает усилие страгивания (проворачивание из неподвижного состояния). 

Другой важный момент -- наличие громоотвода, гарантированно предотвращающего повреждение электроники. Е-40 был напичкан электронным оборудованием, у каждой турбины был свой компьютер, не только управляющей работой, но и собирающий информацию о состоянии различных узлов, анализирующий её и выдающий предупреждение в случае грозящей неисправности, т.е., осуществляющий автоматический мониторинг машины. Разумеется, жаль было терять всё это хозяйство при первой же грозе, а так уже происходило на других турбинах неоднократно, как прежде здесь сообщалось.

Ожидаемая годовая выработка (МВт-ч/год)
в зависимости от скорости ветра (м/c),
из рекламного проспекта.

Ещё из рекламы того времени: производитель обещает, что за четыре -- шесть месяцев работы (в зависимости от местности) ветрогенератор произведёт такое же количество электричества, какое было потрачено на его собственное изготовление, включая строительство фундамента (фундаменты предлагались свайные и дисковые). Если посмотреть на график вверху, то это примерно 0,5 млн. кВт-ч, вполне разумная величина. За весь же срок службы (примерно 20 лет), он произведёт в 48 раз больше. Реклама, как показала практика, была недалека от истины.

И в заключение два фильма. Минутный о ветропарке этих машин. Турбины в нём четырнадцати- и шестнадцатилетнего возраста.

И двадцатиминутный на немецком языке. Показано внутреннее устройство и производственный процесс.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Лучшее общество то, где только бройлер не имеет претензий. 

Уходим в море

Судно "Фрам" Ф. Нансена,
март 1894 года.

Существуют различные мнения о том, что считать началом выхода ветроэнерегетики в море. Некоторые указывают на норвежского полярного исследователя Фритьофа Нансена, который ещё в 1893 году установил на своём судне "Фрам" ветрогенератор. Электричество на "Фраме" использовалось для дуговых ламп; команда нуждалась в освещении в сумрачных полярных широтах. Ветряк отработал две полярные зимы на зажатом во льдах судне. Безумно храбрая экспедиция несомненно обошлась бы и без него, взяв на борт дополнительный груз керосина, но как это было в духе Нансена! Отправиться в путешествие заперев себя в ледяной ловушке, не зная наверняка сколько лет продлится путешествие, мог только человек с очень необычным мышлением. В тоже время, нельзя не отметить, что именно такие люди увлекались ветряными машинами. Первенство Нансена в морской энергетике оспаривается на том основании, что "Фрам", вытесненный льдами из моря, скорее был на суше, чем в воде, поэтому его ветрогенератор наземный.

Следующим в очереди на первенство отмечен проект плавучего ветрогенератора Хоннефа, созданный в тридцатых годах прошлого века. О нём уже говорилось и добавить нечего, можно только повторить, что проект этот так никогда и не был осуществлён, а потому не считается.

Далее соревнование переходит к известной нам фирме F.L.Smidth & Co. Она и здесь успела отметиться. Во время второй мировой войны один из её ветряков был установлен непосредственно в море, правда, всего в нескольких метрах от береговой линии, не ради моря как такого, но просто из-за нехватки места на берегу. В Дании вообще не так много разницы между сушей и морем, особенно во время дождя. У этого ветряка хорошие шансы на победу, но, к сожалению, о нём мало что известно.

Ближе к нашему времени относятся упражнения доктора Хюттера. В 1958 году он разместил один из своих малых ветряков WE-10 на нефтяной платформе вблизи Мексики. В ходе испытаний исследовались ветряные ресурсы моря. Как и ожидалось, ветер в море оказался сильнее, чем на суше. По мнению многих историографов, именно это событие является началом использования ресурса морского ветра. Тут я не могу согласиться, поскольку использования никакого не было, одни только эксперименты. И, кстати, тогда отнюдь не в первый раз ветряк появился на нефтяной платформе. Ещё Красовский в двадцатых годах установил ветряк для бакинских промыслов. Правда о нём вообще ничего неизвестно, даже то, был ли он оснащён генератором, либо использовался как механический привод для насоса.

В конце концов, вопрос о приоритете не так важен. Тем более что теперь никому из вышеперечисленных медаль уже вручишь. В наши дни ветряные ресурсы моря используются морскими ветропарками (offshore wind farm), поэтому правильно будет упомянуть первый из них. Он был развёрнут в проливе Каттегат, отделяющем Ютландию от Скандинавии, в паре километров от северо-восточного берега острова Лолланн (Lolland) в 1990-91 гг. и получил говорящее название Виндеби (Vindeby), "Ветряная деревня". Парк был оплачен датской электросетевой компанией Ekraft (ныне часть DONG) и состоял из 11 турбин производства фирмы "Бонус".

Среднегодовая скорость ветра на высоте 10 м над площадками типа аэропорта.

Ветряной ресурс морей превосходит наземный в среднем примерно на пару м/с, в чём можно убедиться, взглянув на карту вверху. Тому есть две причины. Во-первых, это рельеф, на море ветер беспрепятственно разгоняется, в то время как пересечённая поверхность запутывает его, турбулизирует, а то и просто запирает в ловушках. На скорость ветра в приземных слоях влияют даже небольшие неровности вроде деревьев и сельских домов. Мы же помним, что слой воздуха, непосредственно примыкающий к поверхности, вообще никуда не движется относительно её. Скорость потока увеличивается по мере отдаления от поверхности, а её рост существенно зависит от шероховатости поверхности. Впрочем, ветер не всегда тормозится рельефом, он напротив может им разгоняться, как это происходит в долинах Калифорнии. На карте видно, что даже в океане, омывающем берега Калифорнии, ветер не очень силён, но среди холмов можно подобрать ветреные места, на карте неуказанные, поскольку она такие особые участки игнорирует. В таких местах сильна и турбулентность тоже, но за всё надо платить. Во-вторых, главные источники ветров, тёплые морские течения расположены в морях, как это ни странно. Теплые течения из низких широт перемещаются в высокие, где нагревают холодный воздух, он расширяется, и получается ветер. На карте места, где тёплые течения проникают в зоны с холодным воздухом, хорошо заметны по окраске. Малиновое пятно между Гренландией и Великобританией, например, есть то самое место, куда проникает Гольфстрим и где рождаются "атлантические циклоны".

Однако, это отступление в область ветроразведки сделано только по оказии, к ветропарку Виндеби оно не особенно относится. Выйти в море датчан заставило не соображение бОльшей продуктивности, а нехватка места. На карте пролив Каттегат, окружённый со всех сторон сушей, попадает в жёлто-зелёную зону, как и вся остальная Дания. Как уже было сказано, море и суша в этой стране мало отличаются друг от друга; глубина пролива в районе Виндеби всего несколько метров, как и высота окружающей его суши. Хотя за счёт водной глади ветер в проливе чуть сильней. Недостаток места для ветряных турбин образовался из-за ограничений, наложенных правительством на размещение ветряных электростанций, о чём уже говорилось прежде. Кроме того, турбины "датского стандарта" с неподвижными лопастями сильно шумели, что также накладывало ограничения на их размещение. Поэтому ещё в 1987 году министерство энергетики Дании образовало Комитет по морским ветропаркам, который занялся решением проблемы. В 1989 году Elkraft выразил намерение построить ветропак в рамках 100-мегаваттного контракта правительства и разместил тендер на поставку турбин, который выиграла фирма "Бонус".

"Бонус" перешёл 100-киловаттный рубеж ещё в 1985 году, к девяностому в его арсенале появились турбины на 450 киловатт. Для Виндеби была создана специальная версия такой турбины, полностью герметичная, поскольку ветер на море солёный, что не нравится электротехнике, да и просто движущимся частям машин. Для охлаждения турбины приспособили дополнительный внешний теплообменник. В остальном же это была обычная турбина B35/450, продолжатель линейки "Датского дождя" с 1980 года. Вот её основные параметры:

Ротор

• Диаметр 35 метров
• 3 лопасти
• макс. скорость вращения 35 об/мин
• неподвижные лопасти
• высота оси 35 метров
• наветренное расположение

Механизм B35/450 в стандартной комплектации,
из рекламного проспекта.

Редуктор

• трёхступенчатый
• передаточное отношение 43
• планетарный

Генератор

• асинхронный переменного тока 50 Гц
• 450 кВт активной мощности
• синхронная частота 1500 об/мин
• 690-400 В

Гондола

• активное управление курсовым углом
• сервопривод

Башня

• стальная труба 
• высота 32,7 метра

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 4,5 м/с
• номинальная скорость ветра 14,5 м/с
• максимальная скорость ветра 25 м/с

• срок эксплуатации 223000 часов (для парка Виндеби)
• полная наработка энергии на одну турбину 22 млн. кВт*ч (для парка Виндеби)

Ветропарк Виндеби состоял из 11 турбин общей мощностью 4,95 МВт, расположенных двумя параллельными рядами. Расстояние между рядами и между турбинами в одном ряду было одинаковым; 8,5 диаметров ротора турбины, то есть 300 метров примерно, что намного больше расстояния между турбинами в Маснедё (который весь в длину был таким).

Парк Виндеби, фото "Сименс".

Для установки турбин разработали специальные фундаменты. В сухом доке строили пустотелые бетонные конусы, которые поэтому могли плавать в воде. После постройки док затапливали и конусы отбуксировали к месту установки. На месте полости заполняли песком, из-за чего фундаменты тонули и ложились на дно. Никакого другого крепления ко дну, кроме силы тяжести, не предусматривалось. Стойкие оловянные солдатики. Затем на фундаменты краном устанавливались уже собранные турбины, которые попарно доставлялись специальным судном. Решение не самое удачное, зато простое. Благо глубина воды на месте была совсем небольшой: 2-4 метра. Также вокруг оснований была предусмотрена специальная защита ото льда, который случается в тех местах (на фото вверху).

Бетонные основания для парка Виндеби,
из ежегодного отчёта МЭА за 1991 г.

Парк со всеми делами, включая двухлетнюю программу экспериментов, обошёлся в 10,5 миллиона экю (ныне евро). К сожалению, мне неизвестны расходы на его дальнейшую эксплуатацию, а также демонтаж и утилизацию останков, которые, к слову сказать, происходят в этот момент (начало 2017 года). Это обидно, поскольку можно было бы прикинуть среднюю стоимость киловатт-часа для полного жизненного цикла ветряной электростанции. Тут мы имеем дело с историей, которая ещё не успела закончиться. Уже и "Бонуса"-то нет, и Elkraft'а тоже, а от Виндеби ещё что-то осталось.

Если вернуться к таблице с параметрами B35/450, то самое удивительное в ней, это цифры наработки, которые прежде нам нигде не встречались, даже у Твинд. Парк Виндеби был разработан на срок эксплуатации 25 лет. Это не чудо, и прежде были проекты и на 20, и на 30 лет, только на практике они рассыпались через пару лет реальной работы. Парк же Виндеби отработал столько, сколько ему было положено и даже чуть больше -- 25 с половиной лет, четверть века. С середины 1991 года и до конца 2016-го. Эти страницы начали писаться ещё при его жизни.

Однако, кое-что всё таки можно посчитать. Во-первых, это коэффициент использования установленный мощности (capacity factor), который нам уже доводилось считать. Поделим выработку ветропарка (243 ГВт-ч) на срок эксплуатации (223533 ч) и получим среднюю мощность -- 1,09 МВт. Отношение средней мощности к установленной (4,95 МВт) даст искомый коэффициент -- 22%. Немного, нынче добиваются и 40%, и более. Здесь можно найти более точный и подробный расчёт. По ссылке видно, что выработка не сильно менялась за время эксплуатации, только в прошлом году пошёл спад. Значит, крупных аварий сразу на нескольких турбинах не было.

Во-вторых, всё-таки хочется прикинуть стоимость, хотя считать чужие деньги нехорошо, но есть же бухгалтеры, можно поставить себя на их место. Поделим затраты строительства (10,5 млн. евро) на выработку (243 ГВт-ч) и получим цену киловатт-часа: 4,3 евроцента за киловатт. Конечно, экю в девяностом был в пару раз тяжелей нынешнего евро, были также эксплуатационные затраты. С другой стороны, ныне научились более эффективно использовать установленную мощность, а стоимость самой установленной мощности снизилась. Подобные расчёты и рассуждения были проведены официальными лицами, ведающими государственными расходами в Европе, и сделаны соответствующие выводы. В частности, сокращены, а то и вовсе ликвидированы субсидии и ужесточены требования к установке турбин. Что, в общем-то, хорошо, если вспомнить доклад Брунтланн.

Вот так, почти сто лет ушло на то, чтобы от первой реализации идеи Нансеном дойти до экономически состоятельного применения морского ветра в народном хозяйстве. Потому что как ни крути, а Нансен был первым, хотя Северного полюса так и не достиг. И, наверное, неслучайно, что от предместья Осло, где родился Нансен до Виндеби всего 550 километров строго на юг, по проливу Каттегат.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Лететь одним крылом

Fanaticism consists of redoubling your efforts when you have forgotten your aim.

George Santayana

Турбина EOLE 4 МВт, Канада,
из ежегодного отчёта МЭА за 1986 г.

В предыдущем посте было очерчено основное направление развития ветроэнергетики, но существовали и другие, менее успешные попытки строительства ветряных машин. Так, например, продолжались поиски надёжной и эффективной конструкции ветряной турбины с вертикальной осью. Движение за дешёвое электричество из ветра охватило множество стран, в первую очередь страны Западной Европы и Северной Америки. Свести вместе все события одной эпохи не дано никому, а если бы и было дано, то ни у кого не получилось бы всё это прочесть. Поэтому историки упускают большую часть событий, называя их несущественными, что часто несправедливо, а то и неверно, но всегда неизбежно.

После окончания прекрасной эпохи бури и натиска 1972-1986 гг., образовалось непонимание дальнейшего пути. Совершенствовать "датский стандарт" многим представлялось бесперспективным. Эти огородные чучелки выглядели жалкими по сравнению с желаемой целью -- мощными, долговечными и дешёвыми машинами. Появился соблазн (в технике он всегда присутствует, но иногда обостряется) найти какое-то сверхоригинальное решение, изобрести нечто этакое, "придумать формулу" как это подаётся в недорогих научно-приключенческих фильмах. Много народу поддалось этому соблазну и ушло куда-то совсем не в ту степь.

Уменьшение числа лопастей ветряной турбины -- один из способов её удешевления. По этой причине Хюттер перешёл от трёхлопастной схемы к двухлопастной. Его соратник по штутгартскому университету Франц Ксавьер Вортманн (Franz Xaver Wortmann), доктор аэродинамических наук, довёл его идею до окончательного совершенства, разработав схему ветряка с одной лопастью. Дожить до её полноценной реализации ему не удалось. Да и не только ему, прямо скажем. Надо заметить, что он не был одинок, насовцы тоже испытывали ротор с одной лопастью, их идея, надо понимать, росла из того же самого места.

Monopteros 50, из рекламного
проспекта.

Одна лопасть, несомненно, дешевле трёх и даже двух, но помимо дешевизны с уменьшением числа лопастей растут и другие факторы, не все из которых благостны. О них уже здесь говорилось, но в схеме с одной лопастью добавляется ещё один -- необходимость компенсировать одинокую лопасть противовесом. Противовес может быть очень простой конструкции, а потому дешёвым. Но... Во-первых, его вес не должен быть очень большим, иначе возрастёт нагрузка на башню, что приведёт к удорожанию всего ветряка в целом. Противовес можно разместить подальше от оси; тогда в соответствии с золотым правилом Герона на большем рычаге меньший груз даст тот же результат. Но чем дальше противовес от оси, тем быстрее он движется, не создавая при этом полезной мощности, но тормозя ротор о воздух (даже если он землю задевать не будет).

Учитывая старые проблемы двухлопастного ротора (повышенная шумность, динамическая нестабильность, низкая эффективность), которые только усиливаются в однолопастной схеме, и добавив к ней новую -- торможение и нагрузку противовесом, невольно задаёшься вопросом, а не лучше было бы вместо противовеса установить ещё одну лопасть? Она будет дороже, но зато даст дополнительную мощность и остальное будет попроще. Но, во-первых, на пальцах не докажешь что лучше, а во-вторых, тут уже дело принципа: получится такую турбину сделать или нет. Ради принципа же люди способны на многое.

Оплатить многомиллионные расходы на реализацию принципа взялось Федеральное министерство образования и научных исследований Германии (Bundesministerium für Forschung und Technologie, BMFT), а также власти федеральной земли Нижняя Саксония. Разработку турбин поручили фирме "Мессершмитт-Бёльков-Блом" (Messerschmitt-Bölkow-Blohm, MBB, ныне часть группы Airbus), в представлении не нуждающейся. Параллельно "Мессершмитт" работал на проект GROWIAN, поскольку машины фирмы M.A.N. были превосходны, но летать не умели совсем, а ветряку нужны крылья. Хотя бы одно.

Monopteros 400, из ежегодного
 отчёта МЭА за 1986 г.

Работы по проекту Monopteros 400 начались в самом конце 70-х годов с разработки конструкторской документации и строительству экспериментальной ветростанции малой мощности (400 кВт, как ясно из названия). Что касается имени Monopteros, то в переводе с греческого оно означает "с одним крылом". Предполагалось, что ветряк послужит прототипом для машины мощностью 5 МВт. Расходы оплачивало министерство. Турбину установили на побережье Северного моря, эксперименты с ней начались 1982 году. Особое значение придавалось выживанию в штормовых условиях. Считалось, что однолопастная схема особенно хороша в бурю. Достаточно перевести лопасть в нижнее положение и она спрячется в тени башни, а сопротивление всего ветряка ветру станет минимальным. Ожидания оправдались, турбина выдержала шторм с порывами ветра до 39 м/с. В июле 1985 года у ней отказала система управления механизмом поворота лопасти, что привело к повреждению самой лопасти. Однако неполадка не помешала посчитать опыт работы Monopteros 400 успешным.

На основе Monopteros 400 "Мессершмитт" разработал более мощную турбину, но не на 5 МВт, а всего лишь на 640 кВт; большего не захотел заказчик, в роли которого выступила электросетевая компания Нижней Саксонии. Она заказала ветропарк из трёх турбин, получивших название Monopteros 50. Парк JEDO возвели у города Вильгельмсхафен (Wilhelmshaven). Тогда же "Мессершмитт" вступил в коллаборацию с итальянской фирмой "Рива Кальцони" (Riva Calzoni), с которой они разработали еще две модификации ветряков поменьше, на 200 и 30 кВт. Их тоже установили рядышком, для компании. В таблице пониже картинки характеристики Monopteros 50.

Возведение ветропарта JEDO, из ежегодного отчёта МЭА за 1987 г.

Ротор

• Диаметр 56 метров
• 1 лопасть, на "качельках"
• аэродинамический профиль Wortmann FX 84,W
• 5° закрутка лопасти
• скорость вращения 32-43 об/мин
• регулировка угла атаки по всему размаху лопасти
• высота оси 60 метров
• заветренное расположение (на корме гондолы)

Редуктор

• трёхступенчатый
• передаточное отношение 48,6
• параллельная конфигурация осей

Генератор

• синхронный переменного тока с преобразователем частоты в постоянную
• 690 кВт активной мощности
• 1592-2070 об/мин

Башня

• стальная труба 
• высота 60 метров

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 6 м/с
• номинальная скорость ветра 11 м/с
• максимальная скорость ветра 16 м/с

Парк вступил в строй в 1989 году и просуществовал несколько лет, но никаких официальных данных о результатах его деятельности не обнаруживается. Впрочем, никто и не обязан был предоставлять их общественности, поскольку парк принадлежал частной фирме, пусть и с государственным капиталом. Так что остаётся только гадать что там происходило. Кроме вышеперечисленных проблем у однолопастной схемы есть ещё одна, менее очевидная. Из-за асимметрии ротора (с одной стороны лопасть, а с другой противовес) его балансировка может быть нарушена даже незначительным внешним воздействием вроде атмосферных осадков. Разбалансированный же ротор -- смерть всей машине. И много других, наверное, чудес могло приключиться, которые нам неведомы, но вот что известно точно, так это то, что и "Мессерштмитт", и "Рива Кальцони" по завершению работы Monopteros 50 теряют всяческий интерес к ветроэнергетике.

Парк JEDO, 17 октября 1989 года, из ежегодного отчёта МЭА за 1989 г.

Однако на этом история однокрылов не заканчивается. Всегда находятся любители сделать и любители употребить что-нибудь нетрадиционное. Конечно больших машин таких уже не делают, но мелочь поменьше можно найти до сих пор. Это тем более удивительно, что в малом масштабе никакой экономии на лопастях не получишь -- они и без того дёшевы. Ниже видео испанской фирмы ADES, которая теперь предлагает однокрылы. По мне, так даже выглядит жутковато, но некоторым нравится.

Назад

К оглавлению

Вперёд