Вначале об общей ситуации. Самым большим в мире потенциалом энергии ветра обладает Россия (что вполне естественно для территории площадью более семнадцати миллионов квадратных километров). В России к 2030 г. запланировали запустить 15 ветроэнергетических станций суммарной мощностью 4,5 ГВт. Но это — капля в море.
Китай ежегодно устанавливает более 20 ГВт новых ветроэнергетических мощностей, а в Германии, Индии и США ежегодный прирост мощностей составляет от 2 до 6 ГВт. Несмотря на явное отставание от мировых лидеров, в странах бывшего СССР планируется строительство всех ветропарков на основе типичных ветрогенераторов — закрепленных в гондолах на высоких башнях гигантских пропеллеров.
Эти гиганты давно вторглись в загородные пейзажи стран Запада. Хотя они всесторонне изучены, но исчерпали потенциал развития. Такие ветрогенераторы имеют срок окупаемости более 25 лет. Явную нерентабельность компенсируют правительственные дотации. Такую политику можно понять в странах ЕС, где нет ни своей нефти, ни газа.
Итак, взглянем на состояние ветроэнергетики чисто технически. Во всем мире признано, что перспективны генераторы иного рода — вертикально-осевые ветротурбины (международное обозначение VAWT). Они требуют меньших капитальных затрат, значительно проще устроены и дешевле в обслуживании. Такие ветрогенераторы без проблем могут устанавливаться в черте жилой застройки (в том числе на крышах зданий) ввиду малошумности и устойчивости к сильным порывам ветра с частым изменением направления.
Постсоветские страны смогут сократить отставание в области ветроэнергетики, если перестанут покупать устаревшие технологии в своекорыстных целях чиновников и начнут разрабатывать собственные перспективные технологии на основе VAWT. В качестве «минуса» VAWT апологеты горизонтально-осевых ветряков называют их относительно небольшую эффективность. Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) составляет у современных коммерческих VAWT примерно треть от энергии ветра в створе ротора. В то время как горизонтально-осевые ветрогенераторы якобы имеют эффективность выше процентов на десять. Так ли все плохо для VAWT на самом деле? Как мы увидим далее, вполне возможно достичь большей эффективности, чем для пропеллерных установок с сохранением всех прочих преимуществ.
Ниже вскрыты неочевидные причины, тормозящие использование таких ветрогенераторов. Эти турбины загнаны сегодня в некое Прокрустово ложе. Хотя имеется непаханное поле для развития, в качестве примера рассмотрена перспективная новая конструкция.
Анализ многих десятков профильных публикаций показывает, что заслуживающими внимания признаются только VAWT одного типа — с ротором Дарье. Объективного наблюдателя не сможет не удивить то, что помимо него рассматриваются лишь так называемые геликоидальные роторы Горлова, многолопастные установки (карусельного типа), а также заведомо худшие роторы Савониуса. Сведение всего многообразия VAWT только к четверке типов так же странно, как если бы в научных трудах не рассматривали никаких иных напитков, кроме вина, браги и пива. А возможность существования текилы, рома и виски не допускали в принципе.
Но странности на этом не заканчиваются. Еще при жизни французского авиаконструктора второго эшелона Дарье (Darrieus, 1888–1979), появились атомные ледоколы, межпланетные станции и сверхзвуковые пассажирские лайнеры. Затем был расшифрован геном человека и поставлен на вооружение боевой лазер. Но что заставляет и сегодня в области вертикально-осевых турбин исследовать только схемы Дарье (своего рода монгольфьеры в ряду других средств полета)? Не та ли слепота, которая мешала в ХIХ в. признать перспективы летательных аппаратов тяжелее воздуха?
Казалось бы, что может быть проще, чем провести сравнительные испытания VAWT всех типов, но одного и того же размера и при одной и той же скорости ветра! С прямыми замерами всех характеристик. Ведь уже более века проводятся соревнования по авиамоделизму. Молодые Туполев и Яковлев тоже участвовали в этих соревнованиях, где победителей определяли преимущества конкретных конструкций, а не многоэтажные математические формулы, описывающие «сферических коней в вакууме».
По необъяснимым причинам по отношению к VAWT этого не происходило. В качестве священной коровы выбрали ротор Дарье, приведя в пользу него доводы в духе средневековых схоластов (которые пытались доказать либо опровергнуть наличие глаз у крота, без осмотра этого зверя). Вне всякого сомнения, реальную пользу способны принести только состязания действующих моделей ветряков, в которых победят лучшие изделия, а не степень титулованности экспертов.
Сказанное выше вскрывает два широко распространенных заблуждения:
1. Энергетические возможности вертикально-осевых турбин якобы ограничены тем пределом, который установлен теорией для пропеллерных ветряных генераторов (КИЭВ составляет 0,593 от энергии ветра в створе ротора).
2. Ротор Дарье якобы является наиболее эффективным среди всех возможных VAWT.
Возможности вертикально-осевых турбин
Первое утверждение (расхожее в научно-популярной литературе в середине прошлого века и бытующее до сих пор в учебниках типа «понемногу обо всем») не только поверхностно, но и ложно. По убедительным данным доктора Д. Н. Горелова, для VAWT вполне достижим коэффициент 0,72. Лопасти VAWT обтекает пульсирующий поток, аналогичный тому, что создает летящая птица. Как известно, эффективность машущего крыла весьма высока, что уже не один миллион лет демонстрируют перелетные птицы. Теория же идеального пропеллера создана для стационарного воздушного потока и не имеет реального отношения к характеру обтекания роторов VAWT.
Ротор Дарье
Ротор Дарье якобы является наиболее эффективным среди всех возможных VAWT. На самом деле это далеко не так (не только из-за присущих ему проблем с самозапуском). До сих пор общей теории VAWT нет, точно так же, как и единой теории поля в физике. Отсутствие общей теории не только не позволяет определить предельное значение эффективности VAWT, но и описать оптимальную схему одного отдельно взятого их типа, например турбины Дарье. В книге доктора Горелова это хорошо описано.
Вертикально-осевая ветротурбина новой «архитектуры»
Таким образом, нет оснований зацикливаться как на ветрогенераторах пропеллерного типа, так и на совершенствовании только лишь турбин Дарье (этот процесс последние лет двадцать топчется на месте). Следует искать и развивать новые подходы и конструкции VAWT. Исходя из этих соображений, автор статьи разработал вертикально-осевую ветротурбину новой «архитектуры». В ней использован принцип природного явления — смерча, являющегося еще более древним и совершенным в энергетическом плане механизмом, чем машущее крыло.
Турбина рассматриваемой системы превращает поток ветра в восходящий вихрь, который «наматывается» на многолопастный ротор, как кокон. Лопасти мешают прохождению воздуха напрямую, он спирально обтекает полость ротора, передавая трением ему свою энергию. Поток взаимодействует не только с этими лопастями, но и со связанными с ротором наклонными антикрыльями. С верхом лопастей соединена горизонтальная крыльчатка. Она также взаимодействует с восходящим вихрем. Таким образом, впервые реализована парадоксальная возможность увеличения ометаемой ветром площади ротора без увеличения его габаритов. Поскольку работает не только внешняя поверхность ротора и не только с наветренной стороны.
В 2016 г. под руководством автора в г. Астане (РК) были изготовлены две действующие модели таких турбин.. Высота вертикальных лопастей и поперечные габариты роторов равнялись 800 мм. Все упомянутые выше элементы ротора имели аэродинамический профиль. Обе модели имели горизонтальные крыльчатки с девятью лопастями, каждая из которых связана с одной из вертикальных лопастей ротора и с центральной мачтой, которая вращается совместно со всей конструкцией. Первая модель имела девять антикрыльев, вторая — 18. При скорости ветра 11 м/с вторая турбина развила мощность 220 Вт и имела на холостом ходу частоту вращения около 80 об/ мин. Обе турбины работали в приземном пограничном слое, стоя на канцелярском столе. Это не помешало им достичь КИЭВ 0,42 и 0,48, соответственно, что не уступает горизонтально-осевым турбинам, вынесенным за пределы зоны турбулентности посредством монтажа на высокие мачты.
Сопоставимую мощность (300 Вт) развивает распространенный на рынке китайский вертикальный ветряк, установленный на шестиметровой мачте. Он имеет пять 1200-мм лопастей, установленных на габаритном диаметре 2 000 мм. То есть если принять ометаемые ветром площади сравниваемых ветряков равными, то получится, что прототип энергоэффективнее известного ветряка более чем вдвое (с учетом того, что у земли ветер слабее из-за близости к граничной поверхности и имеет выраженный турбулентный характер).
Из этого, зная, что описанный аналог имеет коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), равный 0,2, можно оценить КИЭВ прототипа как 0,48, что намного выше, чем у VAWT типа «Савониус» и «Дарье» и соответствует наилучшим мировым образцам горизонтально-осевых ветрогенераторов. При этом себестоимость прототипа значительно ниже, чем у пропеллерных ветряков, имеющих механизм ориентации на ветер и дорогой планетарный редуктор. Соответственно ниже и срок окупаемости. Новые турбины не имеют проблем с самозапуском, присущим турбинам Дарье. Автор не претендует на то, что его конструкция является наиболее совершенной. Следует подчеркнуть, что алгоритма конструирования таких турбин нет, модели создавались концептуально на основе интуитивного инженерного подхода и потому пока не оптимальны.
Выводы автора
1. В ветроэнергетике, как в остальной технике, решающую роль должна играть истинная ценность оборудования, а не ангажированность экспертов, отстаивающих незаменимость ветряков пропеллерного типа и не желающих замечать ничего иного, кроме исчерпавших потенциал совершенствования турбин Дарье. Сведение всего многообразия вертикальных турбин только к нескольким давно известным типам является одним из симптомов неблагополучия научного сообщества, представителям которого комфортно живется за стеной догматического знания, — даже отрицательный результат будет оплачен!
2. Истинную ценность того или иного типа ветрогенераторов должны определять прямые замеры их характеристик, а также прозрачные и корректные критерии эффективности по соотношению «цена — качество», озвученные заранее, перед сравнительными испытаниями турбин разных типов.
3. Разработана и испытана принципиально новая ветряная турбина повышенной эффективности. Приоритет новой ветротурбины на сегодня защищен патентными заявками. Подготовлены и значительные усовершенствования, выходящие за рамки данной статьи и дающие решающие преимущества перед попытками пиратского воспроизведения новой турбины на основе открытых публикаций. Требуются инвестиции для коммерциализации перспективной VAWT принципиально нового типа. Инженерные компетенции, необходимые для этого, имеются.
Статья была опубликована в журнале "Наука и техника"
