Механика сплошных вторников

Ничто так не делает человека счастливым как глупость.

Мал да удал

Ветрогенератор Бергея, из патента US 4,291,235.

Ошеломительный поток датских ветряков в Америку потеснил местных производителей, которые, как мы помним, вышли на массовый рынок не позже датчан. Однако, устремления американцев не простирались широко, они работали исключительно на фермеров и прочих маленьких и одиноких потребителей. Распределительные сети, большая энергетика, всё это громадьё им было не нужно, поэтому они оказались не готовы к лихорадке в Калифорнии, хотя и пытались составить конкуренцию. Тем более им показалось обидным, когда датчане своим фактическим провалом заодно бросили тень и на них, добросовестных производителей ветряных мельниц, которые к восьмидесятым годам прошлого века добились совершенства конструкций своих пусть и маленьких, зато работящих машин.

Ветряк, который совершенно необходимо здесь описать, крайне редко встречается в исторических обзорах, только разве что в очень узкоспециальных и то мельком (на сайте "Ветер перемен", например, ему уделено пара строк и фотографий). И это при том, что его модификации, не сильно ушедшие в сторону от прототипа, до сих пор выпускаются всё той же фирмой "Бергей" (Bergey wind power). Впрочем, может быть, именно поэтому его и не вспоминают, ибо не история, а современность. Новейшая история тяжела в изложении; ещё живы очевидцы, ещё не все награды розданы непричастным и не все невиновные наказаны. Приходится описывать то, что есть, а не то, что рассказывают. Конструкция ветряка Бергея, выдержавшая проверку временем, содержит в себе два изобретения, что представляют собой новейшую струю ветроэнергетики, в которую даже ещё не все ведущие мировые производители успели влиться .

У фирмы два основателя -- Карл и Майк Бергей (Karl Bergey&Mike Bergey). Карл прославился как конструктор легкомоторной авиации, Майк же больше специализировался по ветроэнергетике, но их совместная фирма начинается с патента Карла, в котором тот описал свою ветряную мельницу. Как именно у них это всё происходило, мне неизвестно, люди они, похоже, не очень публичные, непонятно даже, родственники ли они друг другу, или же просто однофамильцы. Изобретение было впервые опубликовано в журнале Wind Power Digest весной 1978 года, американский же патент на него за номером 4,291,235 -- в сентябре 1981 года. Первый рабочий экземпляр турбины, соответствующей патенту, закрутился ещё до его публикации, в 1980 году, а в 1983 году начался серийный выпуск 10-киловаттной машины Bergey Excel, ставшей флагманом фирмы. Уже в первые несколько лет фирма продала сотни её экземпляров.

Генератор, рисунок из патента.

Первое изобретение касалось генератора. Вал ротора (рисунок в начале поста) неподвижен, вопреки обыкновению. Вокруг него вращается насадка с лопастями и ротором генератора, который здесь внешний, а не внутренний как в большинстве генераторов. Внешнее кольцо ротора генератора (рисунок слева) составлено из двенадцати постоянных магнитов с полюсами в шахматном порядке, направленными к валу-статору, находящемуся внутри кольца магнитов. На валу установлены катушки, в которых индуцируется электрический ток, когда мимо них проходят магниты. Магнитное поле в катушке меняет своё направление двенадцать раз за один оборот ротора. В общем-то, пред нами вполне рядовой генератор на постоянных магнитах. Новация здесь в том, что он установлен на валу ветряной турбины. Не поручусь, что генератор на постоянных магнитах никогда прежде не устанавливался на ветряную турбину, но вот чтобы так, запросто, без редуктора -- никогда. Сбылась вековая мечта ветроэнергетиков, из ветрогенератора за ненадобностью был выброшен редуктор.

Хоннеф мечтал реализовать безредукторную схему на ободе ветроколеса большого диаметра, но она оказалась возможной на валу ветряка малой мощности. В чём же дело? В электронике. К середине 70-х годов прошлого века она достигла больших высот, уже компьютеры управляли ветряными мельницами. В "Икселе" обошлось без компьютера, востребованным оказалось другое достижение -- появились и стали недорогими полупроводниковые приборы, способные работать с токами большой мощности. Эти приборы были нужны, чтобы преобразовывать "дикий" ток (wild AC) с генератора в удобоваримый переменный ток постоянной частоты. "Диким" ток получался из-за того, что ротор ветряка вращался с переменной скоростью, переменной была и частота выдаваемого генератором напряжения. "Дикий" ток вначале нужно было выпрямить, а затем преобразовать в переменный ток фиксированной частоты. Без мощных полупроводников это было сделать крайне затруднительно. Похожую схему использовали в Твинд, но там от безысходности, ведь твиндовцам приходилось собирать запчасти к ветряку на помойке. Бергей же выбрал "дикий" ток сознательно и отказался от редуктора, а заодно и от токосъёмников, поскольку катушки располагались на неподвижном статоре.

Генераторы постоянного тока использовались ещё в первых ветрогенераторах, но, во-первых, генерируемый ими ток был постоянным только в том плане, что не менял полярность, в остальном же он тоже был диковат, а, во-вторых, ток уходил в аккумулятор, откуда попадал к потребителю тоже в виде постоянного тока. Чтобы преобразовать его в переменный, требовался генератор, который затруднительно собрать без полупроводников так, чтобы избежать больших потерь. Поэтому, по мере повышения мощности ветрогенераторов, конструкторы переходили к генераторам переменного тока, поскольку постоянный ток большой мощности очень неудобен в использовании. Причём, они предпочитали синхронные генераторы, которые требуют постоянной скорости вращения ротора. Асинхронный генератор хотя и может работать на разных скоростях, но у него тоже есть свои недостатки, связанные с необходимостью генерации переменного магнитного поля с частотой сети. В генераторе Бергея магнитное поле создавалось постоянными магнитами (чьё производство к тому времени тоже достигло больших успехов), поэтому поле создавать не требовалось, но расплатой за эту экономию выступала невозможность контролировать частоту выходного тока. Ток получался "диким".

Отказ от фиксации частоты вращения ротора также был сознательным. Бетц с Жуковским лихо вывели максимальную эффективность ветряка, но из их теоремы никак нельзя выяснить, как можно было бы её достичь, и до сих пор тропа к ней указана по большей части опытными, эмпирическими данными. Наиболее важные факторы, влияющие на эффективность ветряка, это форма лопастей и их количество. При одной и той же форме ротора эффективность ветряка будет зависеть от отношения скорости движения конца лопасти к скорости ветра. В англоязычной литературе это соотношение именуется tip speed ratio и обозначается буквой λ, в отечественной (у Е.М.Фатеева, например) называется числом модулей и обозначается буквой Z. Максимальная эффективность ветряка достигается тогда, когда это отношение сохраняется одним и тем же при любой скорости ветра. Опытным путём определено, что для современных трёхлопастных ветряных колёс это отношение примерно равно 7. То есть, конец лопасти должен двигаться со скоростью в семь раз большей, чем скорость ветра, а поскольку скорость ветра меняется, то и скорость вращения ротора должна меняться, если мы хотим достичь максимальной эффективности.

Ротор Бергея, из патента.

Второе изобретение из патента Бергея, это ротор (слева). Его лопасти изготавливаются из гибкого материала (стекловолокна), а на их концах прикрепляются специальные грузы, вынесенные перед входной кромкой. В общем-то, здесь тоже нет ничего особого нового, на первый взгляд. Грузы работают как центробежные регуляторы. Влекомый центробежной силой груз стремится вытянуться вдоль радиуса ветряного колеса, тем самым изгибая лопасть и меняя угол атаки на её конце (к ступице лопасть прикреплена жёстко). Нечто подобное мы видели у Сабинина с Красовским. Автор патента также не считает себя первопроходцем и указывает на пару предшественников, но именно в такой конфигурации ротор ещё нигде не встречался. Бергей перечисляет три полезные функции своего изобретения.

Во-первых, вначале работы турбины лопасти в ненапряжённом состоянии при малом ветре обеспечивают вращательный момент, подходящий для страгивания турбины с места. В покоящемся генераторе постоянные магниты ротора подмагничивают статор, из-за чего ротор со статором как бы слипаются, так что для старта нужно приложить заметное усилие. Затем, по мере возрастания скорости вращения ротора, лопасти изгибаются, закручиваются, обеспечивая оптимальную аэродинамическую эффективность при высоком λ. Во-вторых, когда скорость вращения ротора превысит расчётную, грузы дополнительно выгнут лопасти, что приведёт к отрыву потока и притормаживанию турбины. В-третьих, грузы повышают собственную частоту колебаний лопастей и предотвращают возникновение флаттера.

Ниже небольшое видео об "Икселе", которым лучше предварить выводы о плюсах и минусах ветряка. Поскольку, да...



Видео начинается с того, что ветряк не видно, но слышно. Шум, пожалуй, главный его недостаток, если не считать цены. Источник шума -- концы лопастей и грузы тоже, разумеется, добавлют. Современные модели как-то обходятся без них и шумят вроде меньше. Тем не менее, с широких концов лопастей срываются вихри, они и шумят, заодно снижая аэродинамическую эффективность (которая вряд ли может быть высокой). О цене. На сайте производителя нет прайс-листа, но примерный расчёт, который можно там найти, покопавшись поисковиком, показывает, что прибыль будет получена уже на 26-й год эксплуатации. И эти мельницы действительно столько работают, хотя на ум невольно приходят слова Великого Комбинатора о вечной игле для примуса. В качестве ещё одной ложки дёгтя добавлю, что в современных "Икселах" используются неодимовые магниты, а добыча неодима наносит существенный вред окружающей среде.

В чём же плюсы? Вот как раз в долговечности, как у иглы для примуса. Она же определяется изобретениями, описанными в патенте. Во-первых, нет редуктора, главного источника поломок. Ветряк "Иксел" стал первым безредукторным (gearless), ещё в начале 80-х годов прошлого века. Во-вторых, нет щёток и прочих токосъёмников в генераторе, что также снижает потребность в техобслуживании. В-третьих, гибкие лопасти, которые смягчают удары порывов ветра. В-четвёртых, жёсткое крепление лопасти к ступице. То самое место, где вечно рвётся, в "Икселе" сделано максимально надёжно; из всех напряжений оставлены только растягивающие, да и они приложены к широкой полосе, которую не оторвать. Судя по словам производителя, все случавшиеся с ветрогенератором проблемы сводятся к электронной части, к преобразователю.

Так что, машина получилась спорная, но для своей области удачная.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

Телефон у меня мобильный, а не я.

Механика сплошных вторников

"Любовь зла," -- подумала коза.

Парк Калифорнийского периода

Эрик Грове-Нильсен, фото с его
сайта "Ветер перемен".

В посте про Твинд упоминался малый тренировочный ветряк, форма для лопастей которого попала в руки Эрика Грове-Нильсена. Эрик родился в 1949 году и с детства увлёкся авиамоделированием. В 1969 году он поступил в Датский технический университет, где перешёл от авиамоделей к строительству настоящих планеров. Там же он познакомился с экологическими активистами и находясь под их воздействием соорудил водонагревательный котёл с нагревом от солнечного света. Котёл его настолько впечатлил, что в 1971 году он забросил университет и вместе со своей будущей женой (которой, по преданию, ветряки обязаны своим направлением вращения) купил ферму, где надеялся развернуть собственный котлостроительный бизнес. Дело пошло не очень. Как показали дальнейшие события, бизнесмен из Эрика тоже был не очень. В Дании разворачивалась ветростроительная эпопея, и Эрик поучаствовал в одном местном проекте ветряка на 300 кВт. Затем начался Твинд, где Эрик прошёл обучение хитростям изготовления армированного пластика, а в 1977 году он позаимствовал формы для лопастей, выкупив их затем за безделицу. Формы попали в нужные руки. Оригинальные лопасти длиною 4,5 метра оказались не слишком удачные, сильно шумели. Тогда Эрик, используя свои познания в аэродинамике, усовершенствовал дизайн и вышел на рынок с новыми 5-ти метровыми лопастями. Однако, на рынке его никто не ждал, понадобилось много времени и сил, чтобы найти заказчиков. Но самодельщиков становилось всё больше, и к Эрику пошли заказы, причём не только из Дании, но так же из Голландии, Бельгии и Германии. В 1979 году фирма Эрика Økær Vind Energi получила заказ от самодельщика Карла Эрика Йёргенсена (Karl Erik Jørgensen) на лопасти длиной 7,5 метров. Йергенсен собирался построить мельницу мощностью 55 кВт, но тяжело заболел. На следующий год лопасти были готовы, но сил у Йёргенсена уже не было, и он продал свой проект фирме "Вестас" (Vestas), которая, вообще говоря, занималась автотюнингом, устанавливая на автомобили краны, для нужд сельхозпроизводителей, в основном. Что-то они ещё для села клепали. У "Вестас" был свой проект в области ветроэнергетики, в то время многие фирмы, связанные с селом, подумывали о ветряках, поскольку их покупателями становились сельские жители, их традиционная таргет-групп. Хозяин "Вестас", не в пример Эрику Грове-Нильсену, был хваткий и рисковый бизнесмен, чуял ветер перемен и шёл в авангарде, поэтому взялся за ветряк самой модной тогда конструкции Дарье. Чем дело закончилось, уже понятно. Вместе с проектом Йёргенсена "Вестас" получила поставщика лопастей в лице Эрика Грове-Нильсена с его маленькой компанией с 13 работниками, такими же энтузиастами, как и сам Эрик. Уже в 1980 году Эрик поставлял лопасти не только "Вестас", но также известным нам "Нордтанку" и "Бонусу" (пока ещё "Данрегн"), не оставляя за бортом и самодельщиков. (Поэтому, кстати, ветряки "Нордтанка" и "Бонуса" так схожи друг с другом.) В следующем, 1981 году лопасти заказал немец Алоис Воббен (Aloys Wobben, по данным "Форбс" собственный капитал на 2017 год -- 4,1 млрд. USD), который в 1984 году создаст фирму "Энеркон" (Enercon), но пока был просто самодельщиком. Всё это были заказы на 5-метровые лопасти, 7,5 метров хотелось только "Вестас", с ними же пошли проблемы. В Рождество 1980 года по Дании прошёл сильнейший шторм, который поломал только что установленные "Вестас" 7,5-метровые лопасти Эрика. Тогда Эрик срочно построил специальную тестовую лабораторию, чтобы разобраться во всех возникавших проблемах, а их было множество. Лопасть пришлось усилить, внедрив к конструкцию лонжерон. Замена лопастей, лаборатория, исследования, всё это вогнало Эрика в жесточайший минус. "Вестас" сделала предложение, от которого трудно было отказаться, но Эрик отказался, чтобы не подставлять других заказчиков, конкурентов "Вестас". Весной 1981 года он "продаётся" судостроительной фирме "Коронет" (Coronet), которая занималась производством небольших яхт и работа со стеклопластиком была ей знакома. Эрик возглавил её новое ветряное подразделение и продолжил выпуск лопастей под маркой AeroStar. Мощности "Коронета" позволили увеличить выпуск лопастей, которые Эрик продолжал усовершенствовать, и 7,5-метровые стали флагманом линейки, их устанавливали на свои турбины фирмы "Вестас", "Бонус", "Нордтанк" и все остальные желающие. Когда началась ветряная лихорадка, турбины этих фирм стали рабочими лошадками Калифорнии, спрос на них взлетел, а вместе с ним и на лопасти "АэроСтара". Несколько тысяч турбин были установлены всего за пару лет. Новые турбины выпускались каждый день. Тут уже и мощностей "Коронета" не хватало, в субподрядчики наняли ещё четыре судостроительные фирмы, но и этого было мало, тогда две производственные площадки были построены непосредственно в США. В 1986 году рынок внезапно и практически полностью схлопнулся. Фирма "АэроСтар" прошла процедуру банкротства. Эрик бизнесом больше не занимался, до пенсии работая по найму в созданной им самим области -- натурные испытания лопастей ветряных турбин. Это была преамбула.

Теперь трудно не только определить сколько и каких турбин установили в Калифорнии во время лихорадки, но и то, и другое по отдельности. Причина тут не только в прошедших десятилетиях, но и в том, что турбины устанавливали не производители, а компании продавцы электроэнергии, в первую очередь корпорация "Зонд" (Zond Corp.), прожившая недолгую криминальную жизнь, чьи архивы не отличались доступностью и сгинули где-то в недрах ещё более скандальной компании "Энрон" (Enron). Да и компаний-производителей тоже, по большей части, уже нет с нами. Подсчёт турбин на местности точного результата не даст, многие из них уже демонтировали. Да и кто их станет считать? По некоторым данным, общее число турбин достигло 15 тысяч (некоторые из них не работали никогда), помимо 12-ти датских компаний, турбины поставляли 15 американских и 8 европейских. Так что в будущем нечто подобное палеонтологическим раскопкам и в самом деле будет иметь смысл.

Когда в какой-нибудь водоём попадает большое количество удобрений, в нём происходит бурный рост водных растений, а затем начинают погибать рыбы и прочие животные. Они гибнут от недостатка кислорода в воде. Казалось бы, производительность растений, дающих кислород, увеличилась, а кислорода стало меньше... Растений становится так много, что солнечный свет перестаёт проходить на глубину. Весь фотосинтез ограничивается тонким поверхностным слоем воды, в котором живут водоплавающие растения, мелкие водоросли и одноклеточные. Этот слой активно обменивается газами с воздухом и кислород из него уходит в атмосферу. Более того, растения, которым не хватило место наверху, перемещаются в глубокие слои воды, ко дну, где отмирают, а их мёртвые ткани окисляются, съедая весь кислород в воде. Нечто подобное произошло в Калифорнии. Денежная подкормка вызвала бурное цветение, но не того, чего хотелось бы. Нажились многие, но только не ответственные производители.

В чём же ошибался Мальтус? В том, что люди неспособны управлять своим поведением. Оставлю в стороне вопрос о том, кто же всё-таки управляет жизнью человеческой и всем вообще распорядком на земле, ибо ответ на него, в нашем случае, не имеет решительно никакого значения, важно, что кто-то или что-то управляет, и это наблюдаемый факт.

В 1984 году в Дании государственные субсидии покрывали до 40% расходов ветростроителей. За каждый киловатт-час произведённой ветропарком электроэнергии государство доплачивало четверть марки. Распределительные сети покупали у них электричество по цене 85% от розничной (я не знаю, какова была оптовая цена для электростанций в то время в Дании, но в Москве теперь она примерно в два раза ниже розничной), а подключали к сети за 35% себестоимости за счёт субсидий. Рост пошёл не хуже, чем в Калифорнии, к счастью, в масштабе Дания/США. Строили ветряки, в основном, сельские кооперативы. Однако, золотой дождь продолжался недолго, субсидии на строительство постепенно срезались. В декабре 1985 года были введены ограничения для инвесторов: все они должны были жить в радиусе 10 километров от ветропарка, выработка электричества не должна превышать потребления более чем на 35%. Короче говоря, строй, пожалуйста, но у себя на огороде и не на продажу. Строительство сразу сократилось на треть. Вместо колхозников-самостройщиков правительство заставило распределительные сети ввести в строй 100 МВт ветряных мощностей. Одним из возложенных на сети обязательств стала разработка и внедрение новых, мощных ветряков заместо вот этих вот огородных чучелок.

Назад

К оглавлению

Вперёд

Калифорнийская ветрянка

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

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

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

Турбина Дарье производства
фирмы "Алкоа".

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Алтамонт Пасс на Гугл-картах.

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

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

Назад

К оглавлению

Вперёд

Механика сплошных вторников

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

Сыны ошибок трудных

Созвездие Mod-2, фото НАСА.

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

Монтаж ротора Mod-2, архив НАСА.

Схема ступицы Mod-2, из архива НАСА.

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

Монтаж башни Mod-2, из
архива НАСА.

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

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

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

Ротор

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

Редуктор

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

Генератор

• синхронный переменного тока 60 Гц
• 2500 кВт активной мощности



Внутри башни, на самом верху,
из архива НАСА.

• 1800 об/мин

Гондола

• активное управление курсовым углом
• сервопривод

Башня

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

Рабочие характеристики

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

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

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

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

План ветропарка Гудноэ Хиллз, из архива НАСА.

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

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

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

Зависимость частоты ветра от
его скорости, из архива НАСА.

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

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

Назад

К оглавлению

Вперёд