БАШНЯ ИЗ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
Кандидат технических наук Л. ХАСКИН
Среди альтернативных (возобновляемых) источников энергии наиболее перспективными специалисты считают солнечную (см. "Наука и жизнь" № 12, 2002 г.) и ветроэнергетику. Первое место в мире по использованию энергии ветра прочно занимает Германия. В начале 2003 года на ее просторах работало около 14 тысяч ветроэнергетических установок (ВЭУ). В России же ветроэнергетика развивается крайне медленно. Связано это с тем, что производимые у нас установки никак не могут избавиться от двух серьезных недостатков: высокой стоимости (впрочем, цена зарубежных моделей тоже высока, но они обладают большей энергетической эффективностью и другими достоинствами) и наносимого ими экологического вреда. Работа ВЭУ сопровождается шумом, вибрациями, таит в себе опасность для птиц, которые гибнут, попадая под лопасти ветроколеса. И все же привлекательные стороны ветроэнергетики - ее неистощимость, безотходность, возможность быстрого развертывания ветроэлектростанций практически в любых, даже удаленных и труднодоступных местах - заставляют проектировщиков биться над усовершенствованием конструкций ВЭУ.
Немецкие разработчики, стремясь поднять мощность ВЭУ, пошли по пути увеличения размеров традиционных пропеллерных установок (их последние модели, оснащенные многотонным трехлопастным ротором диаметром 66 м, дают мощность до 2 МВт). В России же одним из возможных направлений развития ветроэнергетики может стать создание многомодульных ветроэнергетических установок (МВЭУ), состоящих из одного-двух десятков небольших ветроколес диаметром до 2 м.
В программе МВЭУ участвуют несколько предприятий. Среди них Центральный аэрогидродинамический институт - ЦАГИ, занимающийся вопросами аэродинамики, испытанием моделей и изготовлением опытных образцов; НИИ электрификации сельского хозяйства (испытания на полигоне) и Московский государственный открытый университет, где на кафедре электроприводов разрабатывают и изготавливают электрическую часть МВЭУ. Производством наиболее сложных элементов конструкций - легких и прочных углепластиковых профилированных лопаток и кольцевого обтекателя на стадии изготовления опытных образцов занимается ЗАО "Мельников".
Совместными усилиями они разработали и приступили к созданию модульной ветроэнергетической установки оригинальной конструкции, в которой недостатки ВЭУ сведены к минимуму. Этого удалось добиться путем усовершенствования традиционной схемы пропеллерной ВЭУ с горизонтальной осью и использования новых компоновочных решений.
Причина большинства недостатков пропеллерных ВЭУ, приводящих к потере мощности, кроется в особом характере обтекания концов лопастей ротора ветровым потоком. Чтобы изменить его, разработчики решили поместить ветроколесо в кольцевой обтекатель и закрепить на центральном теле с помощью профилированных лопаток. Лопатки (или направляющий аппарат) сконструированы так, что создают предварительную закрутку ветрового потока на подходе к ветроколесу. Таким образом устраняются закрутка на выходе из него и связанные с этим явлением потери мощности, достигающие в обычных ВЭУ 5-10%. Кольцевой обтекатель существенно снижает шум работающего ветроколеса. На входе он закрыт сеткой, обеспечивающей 100-процентную защиту птиц.
Усовершенствованная конструкция ветродвигателя получила название "Модуль". Несмотря на то что потери мощности в нем по сравнению с ВЭУ традиционной схемы возрастают за счет трения с 7 до 20% (пропорционально увеличению площади обтекаемых поверхностей), суммарные потери мощности снижаются примерно в два раза. Этого удалось достичь благодаря применению более совершенной аэродинамической схемы.
Конструктивно "Модуль" сложнее традиционных ВЭУ, но обладает большей энергетической эффективностью. Результаты первых испытаний в аэродинамической трубе ЦАГИ показали, что он обеспечивает более высокий коэффициент использования энергии ветра, чем другие современные ВЭУ. Еще одно преимущество "Модуля" - большая эффективность отбора мощности в момент запуска, благодаря чему ему нужна значительно меньшая стартовая скорость.
На данном этапе проектируются модули с кольцевым обтекателем диаметром 1 м ("Мини-модуль") и 2 м ("Макси-модуль"). При скорости ветра 10 м/с мощность первого составляет 0,25 кВт, а второго - 1 кВт. Естественно, большую мощность и наибольший экономический эффект дают многомодульные установки.
МВЭУ представляет собой объемное центральное тело со смонтированными на нем ветроколесами - модулями. Их располагают вдоль боковых поверхностей и сверху в зоне повышенных скоростей воздушного потока, которая возникает благодаря тому, что центральное тело имеет в сечении обтекаемую каплевидную форму. В результате стартовая скорость ветра снижается почти вдвое, а годовая выработка электроэнергии увеличивается на 5-10%.
Разработчики предлагают МВЭУ в двух компоновках. Первая из них - "Венец" - предназначена для обеспечения электроэнергией в основном индивидуальных домов. Установка представляет собой усеченное осесимметричное центральное тело, вокруг которого по окружности смонтировано несколько ветроэнергетических модулей. "Венец" устанавливают на крышах зданий.
Вторая компоновка -МВЭУ "Башня" - может вырабатывать электроэнергию для небольших поселков. Она состоит из цилиндрического центрального тела, имеющего в поперечном сечении не круглую, а каплевидную форму, по бокам и сверху которого установлены до нескольких десятков модулей. Высота "Башни" определяется количеством модулей, монтируемых на центральном теле. Его собирают из отдельных секций по принципу детской пирамидки.
По расчетам, стоимость "Башни" будет существенно ниже стоимости ВЭУ традиционной схемы той же мощности. Дело в том, что дорогостоящие модули занимают лишь часть рабочей площади МВЭУ, а другая ее часть приходится на центральное тело, затраты на которое намного ниже. В свою очередь, модули планируется выпускать серийно, а это также заметно сократит их стоимость. Невысокая цена МВЭУ обусловлена еще и тем, что им не нужны ни мультипликатор (редуктор), ни устройство ориентации на ветер. Эти механизмы, применяемые в традиционных ВЭУ большой мощности, достаточно сложны, на их работу тратится до 10% мощности. А в конструкции МВЭУ высокие обороты вала (до 2000 об/мин) обеспечивают ветроэнергетические модули небольшого диаметра. Кроме того, модульные установки сами поворачиваются на ветер, если вертикальная ось вращения у них расположена впереди точки приложения боковой аэродинами ческой силы. Это свойство всех модульных компоновок.
Модульные ветроэнергетические установки не только дешевле, экологичнее и экономичнее пропеллерных ВЭУ, но и удобнее в эксплуатации. Подбором количества модулей мощность МВЭУ можно изменять в несколько раз. Привлекательно и то, что неисправные модули отключаются и ремонтируются без остановки остальных.
Программа создания МВЭУ включает шесть проектов, которые выполняются в несколько этапов. Ее предполагаемая стоимость - 700 тысяч долларов. Это несколько меньше, чем сумма затрат на все проекты, если выполнять их по отдельности.
(Экспериментальный машиностроительный завод им. В. М. Мясищева)."Наука и жизнь" о ветродвигателях:
Ветродвигатель . - 1979, № 3.
Ветер включается в сеть. - 1980, № 10.
Ветроэлектростанция для дома. - 1984, № 8.
Ветроэлектростанция на воде. - 1985, № 3.
Ветродвигатель поднимает паруса. - 1991, № 2.
Ляхтер В. Второе пришествие ветряка. - 1991, № 5.
Иванов Н. Ветродвигатель с машущим ротором. - 2001, № 1.
Ветряные мельницы XXI века. - 2003, № 8.
Читайте в любое время
