Горшочек, не вари!

– Истина прежде всего в том, что у тебя болит голова...
М.А.Булгаков, М&М

В 2002 году в Лейпциге в результате слияния двух существующих бирж появилась новая, Европейская энергетическая биржа (The European Energy Exchange (EEX)). Биржа торгует электроэнергией, топливом, энергетическими контрактами, а с 2007 года сертификатами на выброс CO₂, детищем Киотского протокола. (Если вы выбрасываете CO₂ без сертификата, то вас штрафуют.) В октябре 2008 года на спотовом рынке EEX, торгующем электроэнергией с поставками на следующий день, случилось знаменательное событие: цены так сильно упали, что пробили дно и оказались в отрицательной области на пару часов. То есть, получилось как у Райкина в уже упомянутой прежде юмореске, "теперь не я государству должен, а оно мне". Справедливости ради следует отметить, что подобное случалось ещё за год до этого, но на дневном рынке с немедленными поставками, где торгуются существенно меньшие объёмы и цены меняются непрерывно. Поставка же на день вперёд означает, что продавец в здравом уме и твёрдой памяти не менее чем за 24 часа соглашается поставлять электроэнергию и доплачивать за неё. Штука ныне хорошо известная, поскольку такая ситуация повторялась с тех пор регулярно. Однако всё ещё мало кто понимает почему так происходит, что всё это означает, и кто виноват. Особенно любят винить ветрогенерацию и дотации на неё, хотя это не совсем так. Не правда так же и то, что получение энергии из возобновляемых источников совсем никак не влияет на появление отрицательных цен. Истина, как водится, пребывает в каком-то совершенно другом месте.

Начнём с того, что в 2008 году в Германии только 6,3% электричества проистекало из ветрогенерации. Из того, что мы знаем о соотношении средней и пиковой мощности, можно заключить, что ветер даже теоретически не мог покрыть и четверть средней потребности страны, кроме того, у Германии существовала возможность экспорта электричества. Солнечной энергии в то время практически не было, а гидроэнергия и до, и после занимала очень скромное место на рынке Германии. Сами обвалить цены до отрицательных значений возобновляемые источники никак не могли, им потребовалась помощь. И она пришла. За месяц до указанного события биржа приняла решение допустить техническую возможность отрицательных цен на рынке "день вперёд". Биржа не только ждала такую ситуацию, но и не видела в ней никакой трагедии. Чтобы объяснить в чём тут дело, следует хотя бы в самых общих чертах рассказать как проводятся спотовые торги электричеством день вперёд.

Производители электричества работают ради потребителей, без них электростанции остановятся, спалив вначале распределительные сети, а затем и самих себя избыточным электричеством. Когда вы выключаете свет в своей комнате, вы не только делаете благо для окружающей среды, но и создаёте головную боль электростанциям, заставляя их перестраиваться на новый режим. Не всякая электростанция легко меняет свою мощность, кроме того, обычно существует некий минимальный, пороговый уровень ниже которого происходит полная остановка генерации. Каждая остановка и, особенно, новый запуск электростанции -- это тоже дополнительные затраты. Так, например, для запуска мощных газовых турбин (раскручивания ротора до рабочих оборотов) используются электромоторы мегаваттной мощности и работать они должны несколько минут. Более того, каждый запуск, это повышенный износ оборудования (дополнительные усталостные повреждения), что увеличивает амортизационные расходы и расходы на техобслуживание. Поэтому владельцы электростанций очень не любят их выключать и предпочитают знать наперёд режим работы своей станции, для этого и производятся торги день вперёд.

С утра и до 12 часов дня на бирже торгуются лоты на поставку электричества на каждый час суток после 12 часов следующего дня. Покупателями выступают распределительные сети, а продавцами -- электростанции. Выступают, потому что здесь есть некий элемент игры: электростанции могут принадлежать распределительным сетям, но на торгах они играют роль независимых хозяйствующих субъектов (контрагентов сетей). В 2008 году именно так и было во многих случаях. Продавцы обязуются в указанный час подключить к сети указанную в контракте мощность, а покупатели заплатить указанную цену (оплата производится сразу, спот). Игра эта нужна, чтобы минимизировать затраты как продавцов, так и покупателей, последние поэтому и соглашаются на игру со своими собственными станциями. Для начала торгов необходима базовая цена на каждый час день вперёд. В 2008 году (да и в последующем) её формировали на основе принципа, который я бы назвал (я не знаю русского термина!) "порядок отпуска электроэнергии по мере роста издержек на её производство", по-английски это звучит проще -- the merit order, но не дай бог переводить этот термин дословно, уж лучше пусть будет "мэрит-ордер" (немцы тоже используют его без перевода).

Вначале надо сказать, что понимается под издержками. Это отнюдь не все затраты на получение электричества, но только разница между затратами, которые несёт станция когда вырабатывает электричество и когда она его не вырабатывает. По сути, это стоимость топлива, хотя и другие затраты сюда тоже входят, но они существенно меньше, разумеется. Правда, когда дело касается ветра, то они уже играют существенную роль потому что ветер бесплатный, соответственно, у ветростанций тоже есть издержки производства, хотя и малоотличимые от нуля. Вот тут и появляется возможность выстроить электростанции в мэрит-ордер, т.е., по порядку роста их издержек. Что и сделано на графике внизу.

Мэрит-ордер (the merit order) для Германии. Из работы
Johanna Cludius, Hauke Hermann, Felix Chr. Matthes,
университет Нового Южного Уэльса, Австралия.

Этот график хотя и относится к более позднему времени, чем описываемое, но более-менее приближен к реальности, чего не скажешь о других (в сети их множество). Здесь электростанции представлены цветными столбиками. Высота столбика равна стоимости кратковременных издержек, а его ширина -- поставляемой мощности. Легко видеть, что электростанции сливаются в почти не пересекающиеся группы по виду расходуемого ими топлива. В самом начале графика находятся столбики электростанций, использующие бесплатные возобновляемые источники энергии, затем идут атомные станции, потом работающие на дешёвых бурых углях, каменный уголь чуть дороже, за ними газовые электростанции, с разным КПД, с разными поставщиками газа по разной цене, от того их издержки заметно разнятся, завершает же мэрит-ордер дизель-генерация для пиковых нагрузок с максимальной ценой топлива. Огибающая кривая, проходящая по вершинам столбиков, называется кривой мэрит-ордера. Эта кривая меняется от часа к часу из-за того, что одни станции становятся недоступными, другие наоборот подключаются, кроме того, каждая станция как-то меняет свою мощность (ширину столбика).

Исходя из прогнозов, основанных на многолетних наблюдениях и других источниках информации, на каждый час дня вперёд устанавливается потребная мощность генерации, которая накладывается на тоже спрогнозированную кривую мэрит-ордера. Прогнозировать последнюю ещё сложнее, особенно теперь, когда нужно учитывать и прогноз погоды тоже: от него зависит и ветро-, и солнечная генерация. Идеала достичь не получается, поэтому существует дневной рынок, который в реальном времени сглаживает неспрогнозированное. С другой стороны, существует также долговременные контракты, которые торгуются на фьючерсах, либо вовсе заключаются за пределами биржи. Тем не менее, через торговлю "день вперёд" проходит количество электричества, определяющее общие цены. На рисунке потребная мощность указана голубой вертикальной линией (70 ГВт, примерно). Если от точки пересечения этой линии с кривой мэрит-ордера провести горизонталь, то она укажет на базовую цену текущего часа. Что и сделано на графике -- цена 75 евро за МВт-ч.

Все те электростанции, которые находятся левее от голубой линии, тратят на производство электричества меньше указанной цены и получают прибыль. Остальные -- больше, поэтому им работать невыгодно, и они отключаются. Можно доказать математически, но я не вижу необходимости в таком доказательстве в виду очевидности, что именно такая цена обеспечит поставку электричества с минимальными текущими издержками (если взять любую электростанцию справа от голубой линии и поместить её на место любой слева, то издержки возрастут).

Однако ясно, что это какой-то нереализуемый в природе идеал. Непонятно что делать тем, кто попал на точку пересечения: цена только-только покрывает их текущие затраты, нужно ли работать за такие деньги? Не дешевле ли будет отключиться и пойти покурить, пока цены не подрастут? И тут надо вспомнить, что включение-выключение отнюдь не бесплатная услуга. Может так статься, что даже тем, у кого издержки выше текущей цены, дешевле продолжать "работать себе в убыток", чем отключиться, потом ведь дёшево не раскочегаришься (особенно это касается угольных и атомных электростанций). Такая ситуация может возникнут при спаде потребления. При росте же будет напротив -- какие-то станции будут долго чесать репу и решать пора ли им запуститься, либо не стоит, так как цены вскоре снова упадут (овчинка выделки не стоит). Обе эти ситуации могут привести к разногласию между спросом и предложением, а оно, в свою очередь, к авариям в сетях. Для устранения этих ситуаций и существуют торги, иначе можно было бы довольствоваться расчётными ценами.

Ценовая регуляция предложения энергии на рынке.

Реальные цены оказываются и выше, и ниже базовой цены. Если потребление растёт, цены устанавливаются выше, что стимулирует станции подключаться к работе, если же потребление падает, то и цены падают так, чтобы производителям было бы не жалко отключаться. Здесь только для упрощения упоминается включение-выключение, регуляция происходит и за счёт изменения мощности станции, что тоже не дёшево (у станции всегда есть некая номинальная мощность при которой КПД максимален, на прочих режимах станция менее эффективна, производство более затратно, станция уходит вправо по мэрит-ордеру).

Так где же тут отрицательные цены? В данном примере их быть не может, но если потребление резко пойдёт влево (до 25 ГВт, например), то синяя линия (горшочек, не вари!) уйдёт ниже нуля. Такое действительно случается, несколько раз в году. В прежние времена, на заре электрической эры, электричество в основном потребляли промышленные предприятия (работавшие в три смены, к тому же), их потребление колебалось слабо, электростанции же были тесно связаны с предприятиями и промышленными районами. Постепенно распределение потребления менялось, становилось менее однородным по времени, чётко обозначались дневные пики и ночные провалы. Способность же электростанций гибко менять свою мощность изменилась незначительно, даже наоборот, ухудшилась, особенно с появлением атомных станций. Положение спасли распределительные сети, объединяющие множество станций в один поставщик энергии. В сети появилась возможность регуляции за счёт постепенного выключения части станций, только порядка в этом процессе не хватало. Мэрит-орднунг его обеспечил, но в случае экстремального падения потребления (когда после напряжённой трудовой недели на длинных выходных народ укладывался во всеобщую спячку разом выключая всё, например) цены падали до нуля, но этого не хватало, некоторые продолжали работать за бесплатно (сжигая газ из газопровода take-or-pay, например), поэтому часть станций приходилось гасить по старинке, внеэкономическими мерами, что вызывало нарекания (Scheiße!) и не только. Вот поэтому и внедрили отрицательные цены.

Настало время спросить при чём тут ветер. Абсолютно ни при чём. Хватило бы одних атомных станций и немецкой экономности (вспомним -- 6,3%). Тем не менее, именно ветер задувает цены ниже нуля. Козьма Прутков писал: "Если у тебя спрошено будет: что полезнее, солнце или месяц? — ответствуй: месяц. Ибо солнце светит днём, когда и без того светло; а месяц — ночью". С возобновляемыми источниками всё наоборот. Солнечные батареи выдают максимум мощности в полдень, когда потребление тоже максимально, ветер же усиливается по ночам, когда потребление падает, поэтому он оказывается менее полезным. Увеличение выработки ветром сдвигает кривую мэрит-ордера вправо (столбики ветряных электростанций уширяются). Голубая кривая на рисунке внизу соответствует новому мэрит-ордеру. Унесённая ветром кривая даёт меньшую базовую цену при той же потребной мощности (потребная мощность ночью ещё и сама снижается). Из-за таких ночных совпадений (высокая выработка и низкое потребление) цены падают особенно глубоко.

Снижение рыночных цен за счёт увеличения ветрогенерации.
Эффект мэрит-ордера.

Более того, рост доли ветрогенерации (и других возобновляемых источников) на большом временном масштабе (годы) порождает так называемый эффект мэрит-ордера (the merit order effect). Этот эффект приводит к постепенному снижению оптовых цен на электроэнергию. Эффект не только был предсказан, но и вычислен опытным путём. Почувствовать его напрямую затруднительно, поскольку на него накладывается масса других обстоятельств: инфляция, колебания цен на топливо, уменьшение атомной генерации, рост потребления и тд. Тем не менее, эффект обнаруживают разные исследователи, каждый со своей методикой вычисления. Их результаты разнятся, но было бы странным, если бы они совпадали. Однако, они сходятся в одном: цены снижаются. В общем, немецкий опыт с мэрит-ордером и отрицательными ценами оказался настолько успешным, что его позаимствовали соседние страны; поскольку он не только позволяет снижать текущие издержки, но и стимулирует производителя к снижению общих затрат, не прибегая к насильственным методам и без финансовых потрясений. Но, что самое главное, отрицательные цены заставляют совершенствовать всю систему производства электроэнергии, делая её не только дешёвой, но и гибкой.

Надо сказать пару слов и о конечном потребителе. Правда ли, что ему доплачивают за потребление в часы отрицательных цен? На сайте биржи EEX за ответом на этот вопрос вежливо отсылают к вашему персональному поставщику электроэнергии. Подумайте сами, конечный потребитель оплачивает электричество не по часам, а за больший период времени; я, помнится, на одной квартире платил за квартал (мелочь по сравнению с месячной арендной платой). Так что, оптовая цена усредняется за этот период. Кроме того, к оптовой цене электричества прилагаются издержки сети (включая потери, амортизацию оборудования и зарплату польского электрика), а так же прибыль, просто так никто работать не станет, и на всё это накладываются налоги, в Германии они создают две трети розничной цены электричества, как было указано в "Бедность -- порок". О какой доплате вы тут мечтаете? Вот, вроде бы и всё об отрицательных ценах.

"Подождите! А кто же это всё-таки убил Нолестро?" -- как в одном теледетективе окликнула наивная дама публику, среди которой совершенно точно находился убийца, но расходящуюся восвояси в радостном возбуждении от осознания, что наконец выяснилось, что мэтр-то Роше ни в чём не виноват. Так с чего всё это началось, зачем понадобилось устанавливать на бирже мэрит-ордер?

С 1-го января 1991 года в Германии начал действовать закон о поставках электроэнергии (Stromeinspeisungsgesetz), в 2000 году сменившийся законом о возобновляемых источниках энергии (Erneuerbare-Energien-Gesetz). Однако, в новом законе неизменным остался принцип, легший в основу мэрит-ордер. Закон обязывал распределительные сети принимать всё энергию из возобновляемых источников и оплачивать её по фиксированному тарифу. Таким образом ветростанции легли в начало мэрит-ордера, за ними последовали атомные, которые сложно регулировать. Совершенно естественным образом в конец очереди встала дизель-генерация, которая и дорогая и мобильная, а потому оптимальная для компенсации пиковых нагрузок. Всё остальное попало между. Как говорят в таких случаях, так исторически сложилось. Никто не виноват. Можно ещё упомянуть невидимую руку рынка. И да, конечно, выключать ветряные электростанции на период отрицательных цен не имело никакого смысла, ведь за их работу государство платило фиксированный тариф, а не биржевую цену.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Некому берёзу заломати

Я пойду, погуляю,
Бѣлую березу заломаю;
Вырѣжу три пруточка,
Сдѣлаю три гудочка,
Четвертую балалайку.
Вы, гудки, не гудите,
Стараго мужа не будите!

Из сказанного прежде может сложится впечатление, что развитие ветроэнергетики в нулевые годы XXI века сводилось к простому расширению рынка и увеличению мощности ветрогенераторов, но это не так, разумеется. Совершенствовались технологи как изготовления, так и управления ветряками, менялась их конструкция, расширялась отрасль их технического обслуживания и ремонта, расчётные методы тоже не стояли на месте. Более того, с широким внедрением численного моделирования появилась потребность проведения теоретических работ в области прикладной математики. Возникло желание лучше использовать в конструкции турбин такое явление, как аэроупругость, но по-хорошему рассчитывать её было нечем. То есть, что-то уже было, созданное в лихие девяностые, но что-то.

По свидетельству Эрика Грове-Нильсона, первостроитель плотник Рииксадер объяснял своё пристрастие к дереву в конструкции ветряка следующим соображением: ветряк использует природную силу, поэтому и делать его следует из природного материала, лучше всего приспособленного к воздействию ветра. А что это, как не дерево? С этой симпатической магией трудно поспорить, особенно после прошедшего сквозь Москву шторма, повалившего тысячи деревьев, но большинство-то из них выжило! Выжили благодаря своей гибкости, иногда жертвуя листвой, дабы уменьшить парусность и ветровую нагрузку. Опыт ветростроительства говорит о том же. Жёсткие конструкции ветряков недолговечны. Их терзают вибрации, приводящие к усталостным трещинам, а также к истиранию движущихся частей. Как кошмарный эталон такой конструкции можно привести "этажерку" Хоннефа в небе над Берлином. Кстати, его башню "Толстяк" таки снесло ветром... Гибкие конструкции ведут себя куда лучше, но с ними тоже возникают проблемы.

Изменяя свою геометрию под воздействием ветра, они изменяют и само воздействие ветра, поскольку оно зависит от геометрии. Дерево, клонясь под ветром и роняя листья, уменьшает свое сопротивление ветру, и, стало быть, в соответствии с третьим законом Ньютона, уменьшает и действующую на него силу ветра, о чём и было выше сказано про шторм. Но так получается потому, что деревья созданы эволюцией, отобравшей тех, кто выжил под ударами ветра. К сожалению, нельзя просто так взять и создать гибкую конструкцию, которая будет изгибаться наилучшим образом, сохраняя себе жизнь. Вполне может получиться наоборот. Например, лопасти изогнутся под ветром так, что заденут башню, тут всё и закончится. Надо ещё вспомнить флаттер, с которого началась аэроупругость, он тоже убийственный. Да те же деревья, не все уцелели, опыт миллионов лет эволюции не смог предусмотреть все неприятности.

Кроме вынужденного внешними силами изменения геометрии, турбина с регулируемым углом атаки сама меняется под воздействием команд управления, что тоже меняет аэродинамические силы, в том числе, за счёт возмущения течения воздуха, установившегося до ворочения лопастью. Вращения лопастями из-за этого приводят к временным переходным процессам в течении ветра, что отражается на работе генератора и производстве электричества.

Все приведённые примеры относятся к аэроупругости, которую надо понимать, т.е., просчитывать, во избежание указанных проблем. Исключительно чтобы показать сложность задачи, рассмотрим основные положения теории аэроупругости. Математику трогать не будем, ограничимся физикой (ежели таковая бывает без математики, ну да ладно, на пальцах). Внизу изображён классический треугольник аэроупругости. Три цветных гудка прямоугольника обозначают три вида сил создающих феномен аэроупругости.

Треугольник аэроупругости.

Все три вида сил равноправны и действуют одновременно (хотя некоторые из них могут быть равны нулю в какой-то момент времени, но ноль тоже величина). Аэродинамические силы создаются давлением в потоке воздуха, которое меняется и от точки к точки, и со временем. Силы инерции проявляют себя при движении массы с ускорением. Когда ускорение равно нулю, то и силы инерции обнуляются, но в турбине такого практически никогда не происходит, потому что она вращается, а вращение создаёт центростремительное ускорение, а то -- центробежную силу, то бишь, силу инерции. Так же любые другие переменные процессы (колебания, например) вызывают к жизни силы инерции. Третьи силы -- силы упругости в твёрдом теле (ветряке), с ними всё просто, кроме того, что они описываются тензором второго ранга, собственным в каждой точке тела, но мы обещали не касаться математики, так что нам всё просто, ограничимся представлением о пружинке.

На картинке есть ещё стрелочки, обозначающие некоторые явления. Эти явления случаются при совместном действии пары цветных сил. Они хорошо известны в быту. Стрелочка внизу, между красным и зелёным, обозначает простые механические колебания, как в пружинном маятнике. Стрелочка справа, между красным и синим -- явления, которые протекают при обтекании жёсткого, недеформируемого тела. Стрелочка слева, между синими и зелёным, это статическая аэроупругость, самый простой пример аэроупругости как таковой. В этом случае аэродинамические силы деформируют тело, а тело меняет аэродинамические силы. Так происходит до тех пор, пока они не уравновесят друг друга, либо конструкция не разрушится (так, например, шторм срывает крыши с домов). Установившееся состояние и будет статической аэроупругостью.

Что же касается балалайки надписи в центре, то это как раз те явления, которые случаются при совместном действии всех трёх сил, то есть, интересующий нас предмет. Задача получается непростая, решать её нужно в объёме, окружающем ветряк (включая его самого), но самое печальное, что её нельзя решить раз и навсегда. Для каждого случая нужно новое решение, поэтому потребовалось разработать такие расчётные методы, которые позволяли бы справляться с задачей доступными средствами в разумные сроки. На спрос возникло предложение.

В 2000 году в Дании было объявлено о начале государственной долговременной программы по исследованию аэроупругости. Первоначально говорилось о двух годах. Параллельно какая-то работа по этой теме проводилась в Греции. Затем МЭА включила в свою программу по снижению стоимости ветряной энергии пункт о совершенствовании моделей аэроупругости с упором на 3D-эффекты и устойчивость. Работа уже предполагалась долговременная, о чём сообщалось в годовом отчёте МЭА за 2001 год. В 2002 году в Дании Рисё создал консорциум Технического университета с университетом Ольборга и Датским гидравлическим институтом, поручив ему, в том числе, и разработки в области аэроупругости. За год Рисё на одни только эти разработки потратил три миллиона датских крон. В 2003 году симпозиум в NREL по аэродинамике ветряных турбин подтвердил интерес к теме моделирования аэроупругости. В 2004 году к работе подключились итальянские исследователи из университетов Болоньи, Тренто и Милана. Они занялись совершенствованием расчётных программ, их валидацией на основе экспериментов. В университете Готланда (Швеция) создали CFD модель Фазы VI с учётом аэроупругости. (CFD - computational fluid dynamics -- расчёт течения среды, численное решение уравнения Навье-Стокса). Это то немногое, что удаётся отследить по отчётам МЭА. Работы ширились и углублялись.

В 2005 году Еврокомиссия учредила проекты KNOW-BLADE и STABCON нацеленные на расширение познаний в области аэроупругости, в рамках которых предполагалось разработка программных инструментов анализа аэроупругой устойчивости. Рисё представила новые компьютерные программы моделирования аэроупругости. Постепенно, во второй половине десятилетия, появилась некоторая ясность в вопросе, был создан набор рабочих инструментов численного анализа аэроупругости. Здесь нет ни возможности, ни смысла не только подробно их разбирать, но даже перечислять. Зато следует привести пример того, что удалось сделать с их помощью.

Пример аэроупругого расчёта. Из отчёта Технического университета для Рисё.

Защита привода турбины от порывов ветра одна из непреходящих зубных болей ветростроителей. Для её устранения придуманы различные хитроумные устройства, подрессоренные муфты на ведущем валу, например. Подобное запатентованное устройство -- главная гордость турбины Haliade 150. Однако, ветер силён, и противопоставлять ему одно только упругое сопротивление конструкции -- дело излишни самонадеянное. Поэтому датский стандарт включает в себя воздушные тормоза, которые уменьшают саму ветряную нагрузку на привод, не рассчитывая на один только обычный тормоз. В современных турбинах воздушным тормозом являются сами лопасти, автоматика поворачивает их соответствующим образом в случае необходимости. К сожалению, при порывах ветра, которые продолжаются время порядка секунды, поворотный механизм многотонных лопастей длинною в десятки метров не успевает сработать должным образом, поэтому приходится полагаться на механические амортизаторы.

Ветряное подразделение корпорации "Сименс" вышло из этого затруднения, создав турбины с лопастями, обладающими необычными свойствами. При порывах ветра их концы изгибаются таким образом, чтобы минимизировать ударную нагрузку на привод за счёт изменения аэродинамического качества деформированных лопастей. Изгибаются они самостоятельно под действием аэродинамических сил, без автоматики, за счёт своих упругих свойств и сил инерции. Это так называемая технология аэроупругой подгонки лопастей (aeroelastically tailored blade). Нечто подобное можно видеть когда ветер налетает на дерево и его ветки покачиваются. Ниже рекламный мультик компании, на его второй минуте демонстрируется технология подгонки, на которую без объяснения трудно обратить внимание.



Идея этой технологии не нова, к ней активно подбирались в последней четверти прошлого века, не только ветростроители, но и вертолётостроители, у которых те же проблемы. Более того, система Сабинина-Красовского тоже близка к этой идее, но вместо упругости самой лопасти использует пружину и противовесы.

Для изменения аэродинамической нагрузки лопасть должна не просто изогнуться, но закрутиться, чтобы изменился угол атаки. Этого можно добиться, если упругость лопасти анизотропна; то есть, разные части лопасти по разному деформируются при одной и той же нагрузке. Получить анизотропию упругости несложно (скорее наоборот, сложно сделать всё одинаковым). В качестве объяснения на пальцах (в самом прямом смысле слова) положите на раскрытую ладонь новую и гладкую денежную купюру. Очень скоро она сама закрутится в трубочку. Так происходит от того, что ладонь воздействует преимущественно на одну сторону купюры. Стороны деформируются по-разному и купюра закручивается. В случае с лопастью, роль ладони играет ветер. Секрет тут в том, как сделать так, чтобы всё закручивалось именно так, как нужно. Вот с этим до появления в XXI веке расчётных программ по аэроупругости дело обстояло туго. У разработчиков не было в запасе миллиона лет на пробы и ошибки как у эволюции, им был нужен точный расчёт, из которого стало бы ясно, куда следует двигаться дальше, чтобы достичь нужного результата. А для расчётов нужна была балалайка, математические методы и программные средства.

Конечно приведённое объяснение слишком поверхностное, чтобы быть правильным. Кто-то скажет, что вообще не надо так опошлять, лучше жевать, чем говорить, но по-моему мнению такая критика проистекает от болезненного перфекционизма. Даже самый большой специалист не всё понимает в своём деле, так что же, ему тоже помалкивать? Понимание не есть состояние, но процесс, который с чего-то начинается, с какого-то э-э-э... На правах этого э-э-э и примите вышеприведённое объяснение одного из многих усовершенствований, ставших возможными благодаря игре на балалайке. Игре, позволяющей создавать механизмы более похожие на организмы, чем на косную материю.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Последние будут первыми

臥虎 藏龍

Ветряные мощности, установленные
в 2016 году, по странам.
Источник GWEC.

В литературе можно встретить высказывание, мол, до 2005 года о китайской ветроэнергетике не было известно ничего. Это не совсем так, конечно. Кое-что про неё даже на этих страницах было сказано. В Китай поступали импортные ветрогенераторы, а в 1998 году была основана фирма "Голдвинд" (Xinjiang Goldwind Science and Technology Co. Ltd.), первенец национального ветростроительства Китая. В 2005-м же году произошло знаменательное событие в общественной сфере: Всекитайское собрание народных представителей приняло законодательный акт о закупках электроэнергии, производимой из возобновляемых источников. Китайские власти и прежде оказывали поддержку ветроэнергетике, быстрорастущая экономика страны нуждалась в электричестве; в собственных энергоресурсах преобладает каменный уголь, от его золы китайцы задыхаются, добыча его дело непростое, не говоря уже о всяких там Киотских протоколах и прочем; но этот закон был особенный, схожий с теми, с какими мы уже ознакомились на примере Калифорнии и Дании. Экономика же, она и в Китае экономика, так что, результат не заставил себя долго ждать.

Этнический китаец (ханец) Ву Кан (Wu Gang) оказался в Синьцян-Уйгурском автономном районе (Xinjiang) не случайно. Как писал "Форбс", он скрывался там от излишнего внимания властей во время культурной революции. Место и в самом деле подходящее, мало того, что крестьянская провинция, так ещё и национальная окраина, до ханьцев руки не доходили, с уйгурами бы разобраться. В этом замкнутом районе (в пятидесятых годах повесили железный занавес на советско-китайской границе, а до прочей цивилизации от Синьцзяна тысячи ли) в 1983 году Ву Кан получает диплом инженера по специальности электрика. Там же он изучает английский язык. Лет пять спустя после окончания института, Ву Кан поступает на работу в компанию "Синьцянская ветроэнергетика" (Xinjiang Wind Energy Co). Компания в то время занималась строительством одного из первых китайских ветропарков неподалёку от Урумчи, столицы Синьцзяна. Ву Кан возглавляет эту работу. Там он постигает премудрости ветростроительства и знакомится с компаниями-производителями ветряных машин. В 1995 году он дорос до поста заместителя Генерального директора, что, по всей видимости, было для него потолком в этой частной компании. Неудивительно поэтому, что в 1998 году он основал свой собственный "Голдвинд". В том же году он получает докторскую степень в университете Даляня (бывший город Дальний).

Новорождённая компания под руководством доктора Кана представляет проект 600-киловаттного ветрогенератора под названием "Девятая пятилетка" (известный в международной классификации как S43/600). Далее историографы "Голдвинда" обычно переходят к новым свершениям и достижениям компании, открывшим ей дорогу к мировым высотам, но нам следует слегка притормозить и прежде чем вернуться к "Голдвинду" посмотреть что представлял из себя S43/600, просто потому, что нас интересует прежде всего техника, а не коммерция. Для этого сравним его с двумя другими ветряками того времени и той же мощности. Это TW-600 немецкой фирмы Tacke и D4 46/600 тоже немецкой DeWind (ныне часть группы General Motors, USA).

	Goldwind S43/600	Tacke TW-600	DeWind D4 46/600
Мощность, кВт	600	600	600
Диаметр ротора, м	43	43	46
Количество лопастей	3	3	3
Вес гондолы, т	23	32	24
Вес башни, т	62	55,5	63
Вес ротора со ступицей, т	12,4	18	11,5
Общий вес, т	97,4	105,5	98,5
Мин. скорость ротора, об/мин	17,9		13,1
Макс. скорость ротора, об/мин	26,8	27	29,2
Мин. скорость ветра, м/с	3,2	3	2,5
Макс. скорость ветра, м/с	25	25	19
Ступени редуктора	3	3	3
Передаточное отношение	1:56,56	1:57	1:45
Генератор	индукционный	асинхронный	асинхронный
Макс. скорость генератора, об/мин	1520	1500	1500
Напряжение, В	690	690	690
Высота башни, м	40-60	50	55-70

Для пущей наглядности картинки гондол этих турбин:

Можно сказать, что машина "Голдвинд" находилась в общеевропейском тренде и мало отличалась от других. Более того, китайская турбина больше похожа на немецкую Tacke, чем две немецкие друг на друга. Рационального объяснения этого сходства у меня нет, но известно другое.

Франц Таке (Franz Tacke), один из пионеров немецкой ветроэнергетики, в 1960 году унаследовал машиностроительную компанию своего деда, основанную ещё в 1886 году. В середине восьмидесятых годов прошлого века Франц включается в калифорнийскую гонку, где добивается определённых успехов. Фактически фирма Таке становится второй среди германских ветростроителей, уступая только "Энеркону". Фирма последовательно наращивает мощность своих турбин, дойдя до двух мегаватт, но в 1997 году объявляет себя банкротом. Её приобретает американский "Энрон" (купленный впоследствии "ДжиИ"), который не выпускает турбин менее 750 киловатт. Вполне удачная конструкция TW-600 остаётся бесхозной. Вероятно её дизайн как-то мог повлиять на работу Ву Кана.

Время не стоит на месте даже в Китае с его тысячелетней историей традиций, устаревает не только "Девятая пятилетка", но и пришедшая ей на смену "Десятая" мощностью 750 киловатт. В 2002 году доктор Кан становится председателем наблюдательного совета компании "Венсис" (VENSYS). В следующем году "Голдвинд", ставший партнёром "Венсис", выпускает по лицензии последней мельницу GW62/1200 с размахом крыльев 62 метра и мощностью 1,2 мегаватта. Здесь необходимо внести ясность касательно "Венсис", и нам снова придётся вернуться в Германию. (Вопрос для проверки пройденного материала: что означает название VENSYS ?)

В 1990 году в университете прикладных наук Саарбрюккена под руководством профессора, доктора технических наук Фридриха Клингера (Friedrich Klinger) создаётся исследовательская группа по ветроэнергетике. В своей работе группа ориентируется, прежде всего, на усовершенствование генератора. В 1997 году готов первый опытный прототип на 600 киловатт. В 2000 году основывается компания "Венсис", которая, используя наработки исследовательской группы, наращивает мощность своих турбин. Пять лет спустя компания начинает продавать лицензии в Испанию. В 2007 году она расширяет рынок лицензий на Китай, Индию и Бразилию. В следующем году "Голдвинд" приобретает акции "Венсис", а ещё через год компания представляет публике турбину VENSYS 90/100, которая одновременно и Goldwind.

Goldwind 1.5MW. Из рекламы фирмы "Голдвинд".

VENSYS 1.5MW. Из рекламы фирмы "Венсис".

Надо заметить, что "Венсис" не отказалась от собственного производства, а "Голдвинд" имеет собственных инженеров, так что две вышеприведённые турбины всё же разные. Что же особенного было в них, что принесло успех и "Голдвинду", и "Венсис"?

Во-первых, это генератор прямого привода на постоянных магнитах. Использование мощных неодимовых магнитов позволило удержать габариты генератора в разумных приделах при малой частоте вращения вала -- до 14 оборотов в минуту. Конечно, использование неодима вызывает вопросы; он недёшев, его добыча сопряжена с нанесением ущерба окружающей среде, кроме того, он редок, но, по счастью для "Голдвинд", его основная добыча сосредоточена в Китае.

Во-вторых, это преобразователь напряжения, который позволяет подключаться к любой сети, а также изолирует генератор от перепадов напряжения в сети. В-третьих, поворотный механизм лопастей, не требующий смазки, оснащённый автономным источником питания, с расчётным сроком службы 20 лет. В-четвёртых, воздушная система охлаждения генератора с замкнутым контуром и теплообменником. В общем, всё то, что нужно в экстремальных условиях эксплуатации, каковы в Китае нередки.

Такая спарка немецких разработчиков и китайских производителей позволила догнать и местами перегнать лидеров индустрии. Китайский дракон незаметно подкрался к пирогу промышленной ветроэнергетики. Ныне без Китая она немыслима. Китайские ветряные турбины устанавливаются не только в Китае, но и в обоих Америках, и в Европах, и, разумеется, в Азии, включая Российскую Федерацию.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Олимпийская смена

Ὣς οἳ μὲν Διὸς ἔνδον ἀγηγέρατ'· οὐδ' ἐνοσίχθων
νηκούστησε θεᾶς, ἀλλ' ἐξ ἁλὸς ἦλθε μετ' αὐτούς,
ἷζε δ' ἄρ' ἐν μέσσοισι, Διὸς δ' ἐξείρετο βουλήν·
τίπτ' αὖτ' ἀργικέραυνε θεοὺς ἀγορὴν δὲ κάλεσσας;
ἦ τι περὶ Τρώων καὶ Ἀχαιῶν μερμηρίζεις;
τῶν γὰρ νῦν ἄγχιστα μάχη πόλεμός τε δέδηε.
Όμηρος Ἰλιάς

Этими новыми игроками стали мировые электротехнические компании. Они и прежде так или иначе участвовали в создании ветряной энергетики. Иногда помимо своей воли, просто потому, что ветростроители закупали их продукцию, иногда же вполне деятельно и осмысленно, как "ДжиИ" участвовал в проекте НАСА. Так или иначе, но у этих компаний накапливались знания и о потребностях отрасли, и о её достижениях. Пожалуй, именно они обладали наибольшей компетенцией за пределами собственно ветростроителей, так что они первыми оценили по достоинству выход на рынок ветрогенераторов мегаваттного класса. Но международные корпорации огромные и медлительные, так что их выход на новый рынок затянулся по времени. Хотя... как сказал об исчезнувших черепашках наркоман, устроившийся на работу в зоопарк ночным сторожем: "Я только дверь приоткрыл, а они как ломанулись..."

В 2000 году в прессе появилось сообщение о том, что концерн ABB совместно с фирмой SW Vindkraft AB продал свою первую ветряную турбину. Машина мощностью в три с половиной мегаватта, получившая название "Ветродуй" (Windformer), чтобы не сказать больше, существовала к тому времени только на бумаге. Предполагалось подключение ветрогенератора к линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения, системы уже разработанной ABB для гидростанций и проверенной в Швеции незадолго до этого. Использование постоянного тока решало давнюю проблему стабилизации частоты ветрогенератора, а работа в спарке с гидростанцией -- неравномерность ветра. Машину установили на следующий год на острове Готланд, как проект "Нёзюдден 3". Трёхлопастной ротор с прямым приводом генератора на постоянных магнитах (без редуктора!) диаметром 90 метров должен был вращаться со скоростью около 18 оборотов в минуту в 70 метрах над землёй. Но уже в 2002 году проект стоимостью 9 миллионов евро был закрыт. Как сообщал журнал Windpower Monthly (тот самый, который основал первый покупатель Рииксадера), руководство ABB сочло рынок неготовым для продукции такого высокого класса. Слишком дорого для нынешних покупателей. На этом строительство ветряных мельниц фирма закончила.

Впрочем, ABB не отказалась полностью от ветряного рынка, но продолжила поставки комплектующих своим традиционным партнёрам. Не грех вспомнить, что ещё на "Твинде" был установлен генератор ASEA (от неё осталась буква "А" в названии ABB), подобранный на помойке. Одним из покупателей продукции ABB была фирма "Вестас", их партнёрство сохранилось до сих пор. Более того, в наши дни "Вестас" отказалась от солидной доли собственного производства, переключившись на сторонних производителей комплектующих. Такая стратегия была описана здесь прежде, она имеет свои положительные стороны и в некоторых случаях может оказаться наилучшей. На каждый современный ветряк устанавливается компьютер, например, но не обзаводиться же каждой ветряной фирме собственным производством компьютерных чипов? Так что, любой корпорации не обойтись без сторонних поставщиков, вопрос же об их минимизации спорный. К слову сказать, на протяжении трёх десятилетий, до апреля 2017 года существовал независимый производитель лопастей для ветряных турбин большой мощности -- LM Wind Power (теперь часть "ДжиИ", стоимость сделки -- 1,5 миллиарда евро). (История наступает на пятки.)

Кстати, о "ДжиИ". В 2002 году она поглощает скандально известную "Энрон" (Enron), которая, в свою очередь, была наследницей "Зонд" (Zond), осуществлявшей закупку ветряных мельниц для Калифорнии в 80-х годах. Кроме мошенничества в "Энроне" занимались и дельными вещами тоже. Среди прочей продукции фирма производила ветряки мегаваттного класса (лопасти поставлял вышеупомянутый датский LM). Таким образом "ДжиИ" вернулась в ветряной бизнес. Новый владелец не только не прикрыл производство, но всячески принялся его расширять. Эта покупка стала первой в долгой цепи поглощений.

Как было сказано, в 2004 году прекратила своё существование фирма "Бонус", но она не исчезла, её тоже купили. Покупателем выступила ещё одна электротехническая корпорация -- "Сименс", которая уже прежде участвовала в ветростроении, поставляя свою продукцию. В частности, "Сименс" сотрудничал с вышеупомянутой SW Vindkraft AB. Сумма сделки осталась в тайне, но по некоторым оценкам "Датский дождь" обошёлся "Сименсу" в несколько сотен миллионов долларов, неплохая цена для местного производителя поливальной техники, каковым он был всего 20 лет назад. На момент продажи в "конюшне" фирмы были турбины на 2,3 МВт (с генератором производства ABB). "Сименс" также принялся развивать приобретение, постепенно увеличивая свою долю на мировом рынке, несмотря на то, что в самой фирме разгорался коррупционный скандал, принёсший ей немалые потери. Один только штраф за дурное поведение, выплаченный в 2007 году, составил полтора миллиарда долларов. Но ветряное подразделение "Сименс" продолжило развитие, в том числе, благодаря усилиям нового руководителя корпорации -- Петера Лёшера (Peter Löscher). Отработав на своём посту шесть лет и вытащив корпорацию из грязи скандала Лёшер повторил судьбу Пульсена; при строительстве нового морского ветропарка допустили косяки в логистике. Убытки оказались настолько велики, что сказались на всей громадной корпорации, акционеры не смогли простить. Тем более, что к пришедшему со стороны менеджеру накопились и другие претензии.

Иллюстрация Daniel Urrabieta Vierge
к роману Сервантеса "Дон Кихот".
Изображена правильная мельница,
что случается не всегда.

Прежде здесь почти не уделялось никакого внимания Испании, стране ветряных мельниц, между прочим. ХХ век выдался не слишком удачным для неё, хотя другие европейские страны пострадали не меньше, по крайней мере. В нашем случае критично то, что всю первую половину века страна пребывала в архаичном, аграрном состоянии, да ещё и в изоляции. Однако во второй половине начались индустриализация и модернизация. Развивалась и ветроэнергетика, которой, в том числе, способствовала неразвитость электрических сетей, но в большей степени отсутствие запасов минерального топлива, да и других энергоресурсов тоже. Эта нехватка обеспечила успех в Испании возобновляемых источников энергии.

В 1987 году в Испании была основана фирма "Экотекния" (Ecotècnia), выпускавшая ветрогенераторы. Первые её мельницы были сродни калифорнийским, да и само появление ветряной техники в Испании в какой-то мере явилось результатом поиска новых рынков сбыта взамен сократившегося американского. В дальнейшем фирма развивается вполне успешно, не отставая от других производителей (лопасти она закупает у LM). В 2007 году в её конюшне уже есть трёхмегаваттный ветряк. Тут-то её и приобретает ещё один электротехнический концерн -- "Альстом" (ALSTOM). Однако в Альстоме ветряное подразделение продержалось всего шесть лет. Тем не менее, за это время была создана замечательная машина, Haliade 150. С прямым приводом генератора на постоянных магнитах 6-мегаваттная турбина в первую очередь предназначалась для установки в море. Её новым хозяином стал всё тот же "ДжиИ". На этой машине история заканчивается, переходя в современность.

Не остались в стороне и японские "Митсубиси" и "Хитачи", больше известные у нас автомобилями и электроникой. Они создавали и устанавливали ветрогенераторы оригинальной конструкции, но к настоящему времени ушли с рынка, что само по себе удивительно: Япония как раз теперь поворачивается лицом к ветру. Но, может быть, мы их ещё увидим в будущем.

Итак, на смену древним титанам пришли обитатели электротехнического Олимпа, чтобы продолжить конкурентную борьбу. Однако, они не стали последними в очереди к свежеиспечённому пирогу промышленной ветроэнергетики. Подтянулись и другие знатоки кулинарии.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Остаться должен только один

Робин Бобин Барабек

Скушал сорок человек

К.Чуковский

There Can Be Only One

Официальная история компании "Вестас" начинается с 1898 года, когда совсем ещё молодой её основатель Смит Хансен (Hand Smith Hansen) сошёл с поезда в городке Лем, расположенном на западном побережье Ютландии. Следуя своему имени (или прозвищу? Smith по-датски "кузнец") он приобрёл в этом городке кузню и занялся индивидуальным предпринимательством и собственной семьёй. Судя по тому, что его бизнес в маленьком городе продержался десятилетия, он действительно пользовался отменной репутацией у местных жителей, как сообщает то официальный синопсис. Когда подрос его сын Педер (Peder), они вдвоём основали семейную фирму по изготовлению металлических оконных рам для ферм. Во время Второй мировой войны их бизнес приходит в упадок, но по завершении её Педер с отцом и другими соратниками основывает новую фирму под названием Vestjysk Staalteknik A/S (ЗАО "Стальные технологии Западной Ютландии"). Название оказывается несколько сложным для сельской местности и вскоре сокращается до Vestas. Педер приобретает для фирмы международный патент на производство холодильников для молочного производства, как-то их модернизует, хорошо зная потребности фермеров, и завоёвывает не только местный рынок, но и поставляет продукцию на экспорт: в Германию, Бельгию и Финляндию. В 1956 году брат Педера, Сёрен (Søren) приносит в фирму новый заказ -- на разработку и производство интеркулеров (промежуточных охладителей воздуха для ДВС) для судостроительной компании. В 1959 году Педер выкупает фирму и становится её единоличным хозяином, но в следующем году производство полностью сгорает (в прямом смысле слова). Однако, как было сказано у классика, "пожар способствовал ей много к украшенью"; "Вестас" на новой производственной площадке увеличивает численность персонала и обороты. Новым ключевым продуктом фирмы становятся краны для грузовиков. Уже в 1971 году, ещё задолго до нефтяного кризиса, "Вестас" нанимает на работу инженера Биргера Мадсена (Birger Madsen). Мадсен занимается на фирме секретными разработками. В 1978 проводятся испытания секретной машины: ветрогенератора на основе ротора Дарье. Про результат говорить не приходится.

Далее происходит весьма важное событие, уже упомянутое в "Парке Калифорнийского периода"; "Вестас" перекупает ветряную мельницу у заболевшего Карла Эрика Йёргенсена.

С 1980 года на фирме начинается массовое производство ветрогенераторов и все эти американские дела, которые уже тоже описывались. После банкротства 1986 года фирма не только не отказывается от ветряной тематики, но, напротив, продаёт большую часть своего имущества и становится ультимативно Vestas Wind Systems A/S (Ветроустановки "Вестас"). Возглавил новую старую фирму Йоханнес Пульсен (Johannes Poulsen). Дела у компании пошли в гору.

В 1989 году "Вестас" приобретает "Датские ветряные технологии". Компанию, вообще говоря, со значительным государственным участием. Это те самые ребята, которые работали с ветряками города Нибе и создали ветропарк на Маснедё. Иногда говорят о слиянии, а не о приобретении. По свидетельству Эрика Грове-Нильсена, некоторое время компания носила двойное имя: Vestas, Danish Wind Technology A/S. В исторической справке, размещённой на официальном сайте компании, этот момент никак не освещён, хотя лично мне он представляется важным. Вместе с компанией, "Вестас" приобрела и те самые технологии, технологии создания ветрогенераторов мегаваттного класса.

В лихие девяностые "Вестас" высаживает свой мегаваттник вместе с остальным "Звёздным десантом" (и получает золото в нашем неформальном зачёте). В 1995 году она выходит в море, оснащая своими турбинами морской ветропарк в Дании. В 1998 году компания становится публичной, разместив акции на бирже Копенгагена. В 2002 году, после 15 лет работы на посту гендиректора, уходит Пульсен. "Вестас" установила 80 турбин в новом морском ветропарке Хорнс в паре десятков километров южнее Лема. Даже опередила сроки, но, как это часто бывает в спешке, что-то пошло не так. Гондолы всех турбин пришлось демонтировать и отправлять на доработку. Акционеры не могли не ответить на такой удар по компании.

В 2004 году "Вестас" купила "Нордтанк-Микон", который сам к тому времени уже много кого купил. В том же году прекращает существование последний датский конкурент компании -- фирма "Бонус". Впрочем, не только датский. "Вестас" становится мировым лидером, не имея себе равных. На её долю приходится 32% рынка.

Однако, 32%, это не сто и даже не пятьдесят. До монополии было далеко тогда, ещё дальше теперь, хотя "Вестас" всё это время продолжала наращивать производство. Высокую конкуренцию на рынке ветрогенераторов можно объяснить несколькими причинами, но самой главной мне представляется обмен технологиями. Большая научная работа проводилась государственными учреждениями, и никому из участников рынка не удавалось сильно вырваться вперёд за счёт патентных ограничений. Пожалуй, в случае с ветроэнергетикой мы видим редкий пример стимулирующего воздействия государства на производство. Успех такого воздействия, на мой взгляд, заключался в том, что в работе участвовали разные страны с разными возможностями и подходами. То есть, конкуренция происходила уже на уровне государства, чего обычно не бывает.

Но была и другая причина сохранения высокой конкуренции после появления явного лидера: на рынок вышли новые игроки.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Не числом, так распределением!

Уходим в цифру

One does not simply walk into Mordor.
the movie The Fellowship of the Ring

Вначале рассказа о новом достижении ветростроителей необходимо сделать довольно пространное отступление в область теории, иначе не будет понятно, в чём, собственно, заключалось это достижение.

На рубеже двух тысячелетий появилось важное новшество в деле создания машин. Прежде существовало два больших класса методов их конструирования: опытно-практический и расчётно-теоретический. Строго говоря, между ними не было непроницаемой стены. В ходе опыта делались общие заключения на уровне теории. Так, например, Смитон вывел свои максимы на основе серии экспериментов, а братья Лилиенталь сформулировали теорию полёта наблюдая за поведением крыла примерно на такой же опытной установке, которую использовал Смитон. С другой стороны, теория использовала опытные данные. Та же теорема Бетца в неявном виде включает в себя практическое знание о поведении потока ветра перед и за ветряком. Или теорема Жуковского опирается на представление о безотрывном течении, взятом из опыта. Тем не менее, разница между этими классами методов настолько велика, что их с полным правом можно рассматривать как самостоятельные. В конце ХХ века к ним добавился третий класс: численное моделирование.

Между новым классом и старыми тоже существует тесная связь. Численное моделирование имеет высокое сходство с экспериментом, разве только наблюдения проводятся не с реальным объектом, а с его математическим представлением. В то же время, математическую модель можно построить только опираясь на теорию. Но опять же, численное моделирование настолько своеобразный метод, что его необходимо рассматривать отдельно от остальных.

Прежде уже говорилось о том, что теория, описывающая поведение потока воздуха -- уравнение Навье-Стокса, появилась ещё в начале XIX века, вот только решить эту уравнение никак не удаётся до сих пор. К концу ХХ века появилась возможность решать его приближённо, с удовлетворительной для практических нужд точностью. Во-первых, были созданы математические подходы, упрощающие его решение. В начале ХХ века Прандтль ввёл понятие о пограничном слое и способ его математического описания, а в последней четверти века появились математические модели турбулентности, более-менее адекватно описывающие это своевольное явление, плохо поддающееся выражению через строго предопределённые математические формулы. Во-вторых, появилась техника, способная производить необходимые вычисления с приемлемой скоростью, то есть, моделирование как таковое. Речь идёт о компьютерах, разумеется.

Почему вообще понадобилось численное моделирование? На заре становления компьютерного эксперимента, как ещё можно назвать численное моделирование, многие специалисты не просто относились к нему критически, что методологически верно, но просто считали его блажью недоучек, которые только и умеют, что на кнопки нажимать. К сожалению, таких ретроградов и теперь найти можно, но по счастью они уже ничего из себя не представляют. Эксперимент с реальным объектом даёт куда более адекватный результат, чем эксперимент, проведённый внутри компьютера с математической моделью объекта лишь только приближенной к свойствам объекта реального, бессмысленно с этим спорить.

Проблема реального эксперимента в том, что его не всегда можно провести в заданных условиях, а экстраполяция из других условий к заданным грозит ошибкой большей, чем даёт компьютерный эксперимент. Именно с этой проблемой столкнулись ветростроители в 90-х годах. Расчёт ротора в то время производился по методикам, выведенным из простых предположений с опорой на эксперименты, проведённые в условиях, далёких от реальных. Что это означает? Здесь прежде в таблицах, описывающих параметры ветряков, приводилась информация о профиле лопасти. Обычно это были профили НАСА. Их свойства были получены на продувках неподвижных лопастей в аэродинамической трубе постоянным потоком воздуха. Затем эти свойства использовались в расчётах. Оказалось, что эти расчёты сильно отличаются от реальности. Более того, такую важную практическую задачу как концевые потери и связанный с ними шум вообще нечем рассчитывать, так как на продувках в трубе воздух движется только поперёк лопасти, а не также вдоль неё, стекая с её конца как в реальном ветряке.

Конечно, можно было проводить натурные эксперименты с реальными ветряками, но они стали очень дорогими. Каждый ветряк по миллиону денег. Хорошо было, когда турбины были маленькими. Кроме того, ветер тоже создавал проблемы. В изложении результатов программы WEGA указывалось, что такую простую характеристику как коэффициент мощности не для всех машин удалось снять полностью. Просто потому, что мало было необходимых ветров, а ведь измерения продолжались по году и более. На заре ветроэнергетики ветряные турбины продували в аэродинамических трубах, где ветер можно установить произвольно, но мегаваттный ветряк ни в какую трубу не засунешь. Что же касается уменьшенных моделей, то результаты от них пришлось бы экстраполировать, об опасности чего уже было упомянуто, рассмотрим проблему подробнее.

При масштабировании объекта его различные характеристики меняются по-разному. Соответственно, в уменьшенном (или увеличенном) объекте соотношение характеристик будет иным. Так, например, масса лопасти пропорциональна её объёму, а объём пропорционален кубу её линейного размера. Но жёсткость лопасти пропорциональна площади её сечения, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату линейного размера. То есть, если уменьшить лопасть вдвое, то соотношение её веса к жёсткости тоже изменится вдвое. Для иллюстрации этого факта существует хрестоматийный пример: муравей может поднять груз тяжелее его самого в 50 раз, а слон осилит только 1/4 своего веса. И так происходит со всеми характеристиками, а физические свойства среды и материалов (плотность, температура, давление, модуль Юнга) вовсе остаются неизменными, что тоже меняет всю картину. Посмотрите, какие номера вытворяют уменьшенные модели самолётов, вертикальный полёт, например, оригиналам такие фигуры пилотажа недоступны. Так что, опыты с уменьшенными моделями имеют очень ограниченную применимость. И тут ещё ничего не сказано о необходимости проследить жизнь конструкции на протяжении всего времени её эксплуатации (два десятка лет, как минимум). С такими требованиями разработка новый машины потребует столетий, что вряд ли приемлемо.

Выбор у ветростроителей оставался небольшой; либо остаться в ХХ веке и проектировать машины по наитию, с опорой на неточные расчёты и ограниченные серии испытаний, либо перейти к численному моделированию. Но нельзя просто так взять и перенести ветряк в память компьютера. Такое можно увидеть только в фантастических фильмах или во сне. Проблема была не столько во введении в память компьютера необходимых данных (что на рубеже веков само по себе было не слишком просто), сколько в адекватности приближённых математических моделей.

Многим почитателям "Властелина колец" хорошо известна цитата о зелёном солнце из дневников Толкиена. Дескать, каждый, кто владеет инструментом человеческой речи, способен произнести "зелёное солнце". Многие могут его представить себе или нарисовать. Но этого недостаточно... Создать Вторую Вселенную, в которой зелёное солнце себя бы оправдывало -- тяжкий труд. В численном моделировании всё ещё сложнее. Можно создать в компьютере "зелёное солнце" (ветряк в нашем случае). Вторую Вселенную создаст сам компьютер, и зелёное солнце обязательно будет в нём органично, для этого достаточно ввести в компьютер самые общие принципы. Но практически нет никаких шансов, что созданная нами Вторая Вселенная сразу будет похожа на нашу Первую, в этом проблема.

Необходимо согласовать Вторую Вселенную с Первой, подкрутив её настройки. Для задач по аэродинамике настройками являются, в первую очередь, модели пограничного слоя и турбулентности, а также входящие в эти модели параметры. Так как эти модели приближённые, то их настройки подходят только для узкого круга задач. Ветростроителям предстояло подобрать настройки к их собственным задачам. Для этого нужно было сопоставить численную модель некому эталонному ветряку, параметры работы которого хорошо известны. Причём в разных режимах работы, поскольку подстройка модели под один только режим в другом даст неверный результат. Это как в известной притче о слоне и слепых мудрецах. Чтобы составить полное представление о слоне мудрецам необходимо общупать его со всех сторон.

Надеюсь, после этого отступления смысл достижения станет понятнее.

Фаза VI в аэродинамической трубе. На малых стойках анемометры.
На левой лопасти -- датчики давления. Из отчёта NREL.

Государственная Лаборатория Энергии из возобновляемых источников (NREL) при министерстве энергетики США в 2017 году отмечает своё сорокалетие. Поначалу лаборатория занималась солнечной энергетикой, но постепенно её интересы расширились. С середины 80-х годов в NREL проводились эксперименты по аэродинамике ветряных турбин. Каждая серия таких экспериментов на новой установке нумеровалась как "фаза соответствующий номер". Что удивительно для американцев, номера не путались. Весной 2000 года лаборатория добралась до эксперимента Фаза VI (Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI). Шестая фаза решительно отличалась от предыдущих. Главной её задачей являлась калибровка математических моделей, подкрутка настроек.

Аэродинамическая труба НАСА. В кружке люди. Из отчёта NREL.

Для этой задачи требовалось замерить параметры воздуха, обтекающего ветряк, в эталонных условиях, которые можно создать только в аэродинамической трубе. Трубу взяли самую большую, какая только была у НАСА (больше ни у кого и не было). Но даже в такую трубу поместилась турбина с ротором диаметром всего десять метров. Этого уже тогда было мало, но ничего лучшего не было. Ротор двухлопастной. Турбина измерялась в различных конфигурациях: с наветренным и подветренным расположением ротора, с "качельками" и без, с различным углом атаки лопастей и различным углом по направлению к ветру. Всего было около тридцати различных конфигураций, на них не хватило букв английского алфавита. В каждой конфигурации измерения проводились при разной скорости ветра.

Визуализация кильватерного следа дымом. Из отчёта NREL.

В ходе эксперимента измерялась скорость ветра. Для этого использовались ультразвуковые анемометры, измеряющими скорость прохождения звука между источником и приёмником. Сравнивая эту скорость со скоростью звука в неподвижной среде можно получить значение скорости ветра. Такой анемометр намного точнее древних "вертушек". Измерялось давление, в том числе перед лопастью на специальных вынесенных датчиках. Давление измерялось и на многих точках по поверхности лопасти. Механическая нагрузка измерялась тензодатчиками. Также на лопастях и гондоле установили акселерометры и весоизмерительные ячейки для измерения отклонений от равномерного движения. Измерялась мощность генератора и мощность сервомоторов, вращающих лопасти. Кильватерный след визуализировался дымом. Короче говоря, измеряли всё, что только научились измерять в предыдущие фазы.

Все эти замеры были собраны, сохранены и переданы широкой общественности. С тех пор они используются для валидации математических моделей, подкрутки настроек Второй Вселенной. Фаза VI стала эталонным ветряком. Если своей компьютерной программой вы не сможете воспроизвести Фазу VI, значит у вас плохая программа. Или вы не умеете пользоваться программой, что тоже уметь надо. Самих же программ с тех пор написали множество. Существуют универсальные программные пакеты софтверных фирм, есть и узкоспециализированные программы для ветростроителей. Так, та же NREL распространяет программы своей разработки, в которых вы можете смоделировать целую ветряную ферму. Успех всех этих программ был во многом обеспечен Фазой VI. Результаты демонстрируют хорошую сходимость с реальностью, хотя место для совершенствования остаётся.

На этом, пожалуй, можно ограничиться темой численного моделирования, поскольку это самостоятельная большая история, ветроэнергетика в которой -- только одна коротенькая страница. Абзац, даже скорее.

Моделирование ветряной фермы в программе SOWFA. Из рекламы NREL.

Назад

К оглавлению

Вперёд