Ветрогирлянды

Гиганты или карлики

Важность развития энергетики на возобновляемых источниках энергии не подлежит сомнению. Ветроэнергетика, – одна из старейших отраслей этого направления, – сталкивается с известными технологическими трудностями. Энергия ветра рассеяна в большом пространственном объеме, собирать ее одним могучим ветроколесом накладно: требования к прочности растут вместе с сопротивлением среды пропорционально квадрату скорости, а стоимость – уже кубу, если верить авиастроителям. Длина крыла современного ветрогенератора может достигать 30-40, и даже 60 метров. (membrana.ru) Как вам пятимегаваттная «мельница» высотой в 50 донкихотов верхом?

Ничего удивительного, что киловатт установленной мощности ВЭС обходится в копеечку. Выходит, за высокую мощность ветродвигателя, – вожделенный куб скорости ветра, – приходится платить «один к одному».

Раз так, имеет прямой смысл заняться миниатюризацией: сумма кубов растет гораздо медленнее, чем куб суммы. Заменяя одного великана на много карликов можно значительно понизить требования к прочности отдельной укороченной лопасти. К сожалению, параллельно с естественным удешевлением малогабаритных ветродвигателей возникает проблема эффективного суммирования мощностей. Компактные электрогенераторы – не самые дешевые устройства.

Поэтому, например, в проекте микромодульных ВЭС академика Б.В.Войцеховского предлагается гидравлическое или пневматическое суммирование мощностей с малой степенью сжатия. (см. prometeus.nsc.ru)

Все же, самое элементарное суммирование достигается закреплением роторов на одном и том же валу. Лучше всего такая схема подходит для т.н. ортогональных ветродвигателей, – с поперечной потоку осью вращения. Обычные ветроколеса объединять подобным образом, как правило, неэффективно: желательно, чтобы между пропеллерами было расстояние порядка 10-12 диаметров для восстановления силы и стабильности потока (интересное решение предложено на сайте selsam.com).

Чрезвычайно удачной в плане конструктивной простоты является гирлянда ортогональных роторов, закрепленных на тросе-приводе. Такое решение неплохо зарекомендовало себя в гидроэнергетике, – например бесплотинные гирляндные ГЭС Блинова. (energy.org.ru)

Очень заманчиво использовать подобную схему и для преобразования энергии ветра. Судя по этому обзору (electroveter.ru), идея ветрогирлянд занимала умы изобретателей и раньше. Возможно, стоит вновь обратить на нее пристальное внимание.

Крыло или парус

Поступательное движение среды переводят во вращение вала генератора двумя способами: силой лобового сопротивления лопастей (парус) и подъемной силой крыла. Крыло заметно эффективнее, собирает за один оборот пропеллера энергию с площади во много раз больше своей собственной, высокая частота вращения ветроколеса удобна для генерации электроэнергии.

Но скорость, необходимая лопасти для создания достаточной подъемной силы, порождает и неприятности: специфические нагрузки, шум, угрозу для птиц. Ветер – символ непостоянства. В приземном слое он дует порывами, часто и значительно меняет направление. Как и положено гироскопу, раскрученное колесо сопротивляется переориентации оси вращения вслед за ветром. При этом кориолисовы силы стремятся загнуть лопасти в бараний рог.

Эти соображения побуждают инженеров создавать все новые и новые конструкции роторов с вертикальной осью вращения, – чтобы исключить проблему рыскающего градиента, и заодно избавиться от поворотной башни с капризным маховиком ветроколеса и генератором наверху.

Увы, крыло доставляет хлопоты и при вертикальной компоновке. Т.н. роторы Дарье (Darreus) отличаются сильными вибрациями и шумом. Ведь в отличие от пропеллера, где все лопасти повернуты к ветру под оптимальным углом атаки и не перекрывают друг друга, лопасть вертикального ротора проходит половину пути с подветренной стороны в возмущенном и ослабленном «тыловом» потоке. Постоянно меняющиеся углы атаки вызывают периодический срыв потока с лопастей. Да и раскручиваются самостоятельно подобные конструкции с трудом. Заметно улучшают положение различные варианты турбин в стиле «закрученного» Дарье (турбина Горлова, и пр.).

А что же парус? Конструкции этого типа столь же многочисленны, сколь и неэффективны. Самый популярный представитель этого семейства – ротор Савониуса, – заметно отличается от «собратьев» простотой и КПД. Это два смещенных относительно друг друга полуцилиндра с небольшим (10-15% от диаметра лопасти) перекрытием.

Как известно, коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) парусом не может превышать 19.5%. Теоретический предел в свободном потоке для идеального ветродвигателя составляет 59%, у хороших ветроколес он доходит до 42%. По результатам многочисленных продувок двухлопастной Савониус показывает КИЭВ до 25% (для некоторых модификаций были сообщения и о 30%). Это значит, что Савониус не просто парус. Он демонстрирует лишь в два раза худший КПД, чем самые эффективные пропеллеры. И это уже при неизменном направлении ветра, а в реальных условиях разница сократится еще более.

Еще одним приятным качеством этой конструкции является высокий стартовый момент, – для страгивания не нужны никакие дополнительные ухищрения кроме размещения пары роторов один над другим под углом в 90% (чтобы сгладить провалы крутящего момента под невыгодными углами атаки).

Увы, недостатки ротора Савониуса так же хорошо известны: низкая частота вращения при оптимальной быстроходности (отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра) 0.7-1, высокая парусность и материалоемкость по сравнению с равномощным винтом. Низкий КИЭВ в сочетании с громоздкостью привели к тому, что отношение к сей конструкции у большинства энтузиастов-ветростроителей весьма и весьма осторожное.

Роторы Савониуса в гирлянде

Как бы ни был плох ротор Савониуса, он как нельзя лучше подходит для ветрогирлянды. Посмотрим, насколько это сочетание окажется состоятельным при попытке удешевить ветродвигатели за счет миниатюризации.

Во-первых, за последние годы КИЭВ роторов этой конструкции удалось значительно повысить. Нетрудно догадаться, что исследователи сосредоточились на увеличении вклада подъемной силы в создаваемый лопастями момент.

Предложенный Бенешем ( Benesh ) в конце 80-х профиль лопатки при торцевом обдувании работает как большое крыло. Что увеличивает КИЭВ как минимум до 30% по сравнению с классической полусферой.

Результаты очень интересного исследования по компьютерной оптимизации профиля Бенеша приводятся в этом отчете:

energy.ca.gov.

Авторы Hamid R. Rahai и Hamid Hefazi получили по результатам продувок оптимизированного варианта КИЭВ около 40% при быстроходности 1.6 – для варианта с нулевым перекрытием лопастей (т.е. лопасти вплотную примыкают друг к другу внутренними краями, составляя единую сплошную поверхность). Оптимизированный профиль лопасти выделен на рисунке красным цветом.

Похоже, что упрек роторов Савониуса в неэффективности отныне можно считать несостоятельным. Вдобавок, профиль-чемпион имеет по сравнению с полусферой примерно на 30% меньшую площадь лопасти, и гораздо меньшее лобовое сопротивление при углах атаки 340-20 и 160-200 градусов. (Все иллюстрации взяты из отчета.)

Другой важный момент состоит в том, что традиционно роторы Савониуса старались выполнить с возможно большим радиусом, увеличивая ометаемую площадь за счет размаха лопастей. Классический «типовой» размер – половина железной бочки, главного «идейного спонсора» вертикальноосевых турбин. Больше радиус – больше рычаг, что здорово для крутящего момента и плохо для прочности самих лопастей. Гирлянда предполагает другой способ наращивания момента, – не «вширь», а «вверх». Это значит, что выигрывает более длинная гирлянда при меньшем радиусе. Ведь поперечные деформации уменьшаются одновременно во всех роторах, а возрастающую нагрузку на растяжение принимает на себя трос-привод. Да и вообще, самую высокую прочность материалы демонстрируют именно на разрыв.

Итак, при уменьшении диаметра и компенсации потерь в ометаемой площади за счет удлинения гирлянды, можно использовать для лопастей более тонкий и дешевый материал. А при наличии жесткого каркаса – даже радикально тонкий. К тому же, приятным довеском к уменьшению хорды лопасти станет пропорциональный рост частоты вращения. При скорости ветра 5 м/с и быстроходности 1,6 оптимизированный Бенеш диаметром 50 см будет вращаться с частотой 300 об/мин. Что просто отлично, и не только для Савониусов, – десятиметровое ветроколесо с быстроходностью 10 при той же скорости будет вращаться ровно в три раза медленнее.

Ветрогирлянда в кустарно-огородном исполнении

Самую примитивную и дешевую ветрогирлянду легко собрать на домашней фазенде, – лишь бы было к чему ее подвесить. Пусть это будет дерево приличной высоты или прочный шест с телеантенной на крыше дома.

Исходные материалы для классического ротора Савониуса: металлический трос толщиной 2-3 мм (10-15р. за метр), пластиковая труба для канализации диаметром 110 мм (90р. за метр), лист оцинкованного железа для горизонтальных площадок, разделяющих соседние роторы. Разумеется, еще понадобятся подшипники для закрепления концов гирлянды вверху и внизу, можно попробовать использовать для этих целей ступицы колес от старого велосипеда.

О недорогих тихоходных многополюсных электрогенераторах на постоянных магнитах приходится только мечтать, поэтому, скорее всего придется соорудить мультипликатор для повышения частоты вращения генератора. Ротор из двух полусфер диаметром 110 мм и перекрытием лопастей 20мм будет иметь общий диаметр 200 мм. Это значит, что на скорости 5 м/с при быстроходности 0.7 частота вращения составит 330 об/мин. Повышения частоты в 4-5 раз будет уже достаточно, чтобы подобрать к ветроустановке промышленный генератор.

Конструкция мультипликатора может быть самой разнообразной, с использованием ремней ГРМ или велосипедных звездочек. Единственное утешение в этой почти неизбежной возне с повышением частоты вращения состоит в том, что не надо взгромождать эту конструкцию на самый верх пятнадцатиметровой мачты. Вместе с генератором сей «девайс» прекрасно разместится на земле под гирляндой.

Разобравшись с мультипликатором, можно приступать к сборке гирлянды. Для начала следует нарезать из листа железа торцевые площадки для закрепления лопастей – круги диаметром примерно 250 мм. Обрезки пойдут на изготовление фиксирующих скоб – держателей лопастей и троса. Эти уголки нужно закрепить саморезами или винтами на площадке вдоль посадочного места лопасти как показано на рисунке.

Последний подготовительный шаг, – разрезать пластиковую трубу на сегменты длиной 50-70 см, затем каждый сегмент вдоль на две половинки. Слегка зашкурить края, – и лопасти готовы.

Монтаж ветродвигателя проще всего производить прямо на месте установки, подтягивая гирлянду вверх по мере сборки. (Весьма разумно сделать гирлянду опускаемой, перекинув верхний конец через шкив.) Порядок такой: закрепить болтами верхнюю площадку на тросе, присоединить снизу лопасти (например, саморезами), подтянуть трос вверх, привернуть к лопастям нижнюю площадку, зафиксировать ее на тросе, и т.д.

Цена вопроса

Один квадратный метр ометаемой площади такой “ветроканализационной” установки, – 5 погонных метров гирлянды, – без стоимости генератора, мультипликатора и подвеса обойдется по ценам подмосковных стройрынков в 500-550р.

С учетом того, что при среднегодовой скорости ветра 5 м/с и качественном электрогенераторе с квадратного метра удастся получить в лучшем случае 12-13 ватт, это, пожалуй, дороговато. Однако отметим, что нам не понадобилось никаких глубоких знаний аэродинамики для сооружения долговечной ветроустановки приличной площади, причем буквально на коленках. Она не будет изводить соседей жутким воем, и не подвергнет вашу жизнь опасности при оледенении лопастей.

Если удастся в кустарных условиях изготовить лопасти из оцинкованного железа (лист 0,55мм стоит 200р за кв.м.), и не в форме полусфер, а с оптимизированным профилем, можно получить уже 20-22 ватта при стоимости гирлянды 320-330р. за квадратный метр ометаемой площади. Лучше сделать диаметр посолиднее, скажем 40-50см. Правда и весить она будет больше пластмассового варианта.

Каким образом можно еще упростить и удешевить конструкцию? Избавиться от горизонтальных площадок, закручивая сплошные лопасти по спирали вокруг вертикальной оси, и перейти к каркасно-тепличному дизайну, донельзя родному большинству россиян. Конструкций «завитых» Савониусов в сети предостаточно, попробуем сделать гирлянду, примерно как на фотографии с сайта aerotecture.com, только без всех этих окружающих палок и стержня, которые выгоднее пустить на нормальную мачту с растяжками.

Гирлянда-спираль

Для начала, можно попробовать изготовить каркас из алюминиевой полосы 2х12мм по розничной цене 25р. за два метра. Разрезав на 4 части по 50 см и загнув по шаблону, получим 2 ребра для фиксации полиэтиленовой пленки. Диаметр гирлянды составит примерно 44 см.

Полиэтиленовая пленка довольно хорошо тянется. Зажав пленку между полосами (свинченные вместе полосы будут хорошо сопротивляться изгибанию), нижнее ребро следует немного закрутить относительно верхнего против часовой стрелки. Что бы спираль не развернулась обратно, по боковым кромкам пленки так же следует пустить полосы, фиксирующие поворот горизонтальных ребер и обеспечивающие поперечное натяжение полотна.

В качестве дополнительных мер против разгибания гирлянды можно с помощью тонкой проволоки или капронового шнура связать зигзагом края и выступы соседних лопастей.

При вертикальном шаге между ребрами в 50 см на один погонный метр гирлянды уйдет примерно 6,5-7м полосы или 85 рублей. Каркас для ометаемой площади в 1 кв.м. (при диаметре 44 см это 2,27 погонных метра) обойдется в 200р. Цена обычной 100мкм пленки 8-9 рублей за кв.м. Итого 210-215 рублей при минимальной массе гирлянды.

Конечно, лучше использовать светостабилизированную пленку, устойчивую к ультрафиолету. По заверениям производителей ее срок службы может доходить до двух-трех лет, при стоимости всего на 15-20% дороже (якобы). Пусть будет 225р. С армированной пленкой, – 240. С алюминиевой 100мкм фольгой, используемой при теплоизоляции бань, – 270.

Можно также использовать недорогую парусную ткань или любой другой подходящий материал. При всей своей недолговечности п/э пленка за счет своей прозрачности имеет изрядное преимущество в эстетическом плане, делая гирлянду менее бросающейся в глаза. Да и тени меньше. Фольга, безусловно, претендует на приз зрительских симпатий за футуристический дизайн, – только представьте пляшущие по любимым грядкам солнечные зайчики.

Можно немного упростить конструкцию с полиэтиленом, заменив сдвоенные полосы на одну трубу 1х10мм (19р. за п.м.), и крепя пленку к трубе, например, широким скотчем. В качестве походного варианта подойдет синтетическая ткань с нашитыми поперечными полосами-карманами для труб-ребер и завязками по краям полотна.

Промышленное исполнение гирлянд и материалоемкость

Как и в любой другой конструкции, несущий каркас позволяет использовать очень тонкий материал для изготовления спирали. Вариантов каркасного исполнения можно придумать множество, соблюдая разумный баланс между ценой, прочностью, весом и сроком службы гирлянд.

Представляется интересной и другая возможность, – делать гирлянду-спираль сгибанием из достаточно тонкого алюминия или оцинковки, выпускаемых промышленностью в рулонах разной ширины, в том числе с уже нанесенным покрытием. По себестоимости материала это выйдет в 150-200р. за кв.м. ометаемой площади (оптовые цены). Занятным вариантом было бы выгибать спираль нужной длины прямо на месте установки ветрогирлянд, а не соединять из коротких сегментов, загнутых в цеху. Для предотвращения разворачивания можно также использовать тонкий металлический трос, овивающий спираль в направлении, обратном закрутке лопастей.

Главной особенностью гирлянды является отказ от жесткого несущего стержня-опоры, что значительно облегчает и упрощает конструкцию ветродвигателя. Вес гирлянды является важным параметром, т.к. сильно влияет на требования к прочности и внешних опор, и тросов подвеса, и материала самой гирлянды. Поэтому естественно возникает вопрос, можно ли еще как-то улучшить отношение ометаемой площади к затраченному на лопасти материалу?

В принципе, можно вместо увеличения хорды лопастей оптимизированного профиля попробовать разнести их на некоторое расстояние друг от друга. Конечно, такой вариант уже трудно назвать ротором Савониуса, в котором важную роль для повышения КИЭВ играет именно взаимодействие лопастей. Можно ли пожертвовать определенной частью КИЭВ при условии, что некоторую потерю эффективности существенно перекроет рост ометаемой поверхности гирлянды? С одной стороны, конструкции в стиле чашечного анемометра серьезно уступают Савониусу. С другой, – профиль из упомянутого выше отчета в первую очередь подвергался оптимизации именно как отдельное крыло. Как поведет себя ветрогирлянда из двух разнесенных полуспиралей? Похоже, получить ответ можно лишь опытным путем.

Напрашивается опробовать гирлянду вообще из одной лопасти-спирали. При двукратном выигрыше в материалоемкости заметное падение КИЭВ, вообще-то, еще не гарантировано. Однолопастные пропеллеры, например, эффективнее многолопастных, а проблема балансировки для гирлянды-спирали из нескольких витков и с небольшой быстроходностью не так уж и актуальна. Конструкция однолопастной спирали в «каркасно-тепличном» исполнении очевидна.

Ветрогирлянды в городских условиях

Сплошные гирлянды-спирали из металлических или полимерных листов с современным долговечным декоративным покрытием (используются для изготовления наружной рекламы и отделки зданий, довольно дороги) могут найти интересное применение на городских улицах. Сочетание низкого шума, высокого КПД и привлекательного нарядного внешнего вида делают их отличными кандидатами на размещение вместо флагов на фонарных столбах городских магистралей. Три трехметровые гирлянды диаметром 33см, закрепленные на одном столбе, эквивалентны по мощности ветроколесу диметром 2 метра – неплохой довесок к декоративной функции. Можно также располагать ветрогирлянды поперек улиц аналогично рекламным растяжкам. Вообще, вращающаяся гирлянда-спираль может неплохо вписаться в облик современного города, открывая новые возможности для дизайнеров и снижая затраты на уличное освещение.

Например, панно из размещенных вплотную ветрогирлянд с согласованной частотой вращения (т.е. механически замкнутых на один генератор) и с нанесенными на поверхность спиралей элементами изображения, может создавать различные визуальные эффекты, включая некое подобие анимации. Такой необычный рекламный щит за счет двойного применения может иметь высокую окупаемость. В безветрие или при слабом ветре, не несущем почти никакой энергии, ветрогирлянды могут принудительно стопориться, или приводиться в движение с нужной угловой скоростью для формирования рекламного изображения, и вырабатывать электричество при сильных ветрах, которые собственно и переносят львиную долю энергии, но дуют относительно небольшое количество часов в году.

Удачное место для размещения малошумных гирлянд в городской черте, – плоские крыши высоких домов. Во-первых, это гарантированное обдувание со всех сторон, а во-вторых, размещенные по периметру здания крайние гирлянды также могут выполнять декоративные и рекламные функции.

Роторы Дарье в гирлянде

Выше были рассмотрены некоторые варианты применения ротора Савониуса и его модификаций в ветрогирляндах. Следующий кандидат на рассмотрение, безусловно, это ротор Дарье. Вернее, закрученный вариант лопастей, – турбина Горлова. Судя по тому, что различные ветродвигатели подобной компоновки уже предлагаются и для городских условий (см. напр. membrana.ru), похоже, загиб лопасти вокруг вертикальной оси успешно преодолевает старый изъян прямолопастных роторов, связанный с неизбежным периодическим срывом погранслоя, резко увеличивающим лобовое сопротивление крыла. Действительно, изогнутая по спирали лопасть пересекает границу критического угла атаки не одновременно всей длиной, а плавно втягиваясь в нее небольшим сегментом. При этом точка срыва потока будет скользить вдоль поворачивающегося крыла, смещаясь по вертикали. Интересно было бы посмотреть на графики коэффициентов момента и мощности таких турбин.

Важным преимуществом роторов Дарье по сравнению с Савониусом является гораздо лучшее соотношение между площадью ометаемой поверхности и материалоемкостью лопастей. Гирлянда из двух крыльев-спиралей, закрученных вокруг несущего троса, и скрепленных поперечными распорками, устанавливаемыми с некоторым вертикальным шагом, выйдет весьма ажурной и невесомой. Добавлять третью лопасть для уменьшения пульсаций крутящего момента вытянутой гирлянде из нескольких витков не требуется, дополнительные лопасти всегда ухудшают КИЭВ. Горизонтальные распорки также можно сделать в форме обтекаемого профиля, чтобы при вращении они создавали направленную вверх подъемную силу, отчасти компенсируя вес гирлянды.

Очень часто роторы Савониуса и Дарье используют в связке. Высокомоментный Савониус служит для стартового разгона турбины Дарье до оптимальной быстроходности. Возможно, эта связка также окажется удачной и в пределах одной гирлянды. Оптимизированный Савониус демонстрирует хороший КИЭВ в диапазоне быстроходности от 0.8 до 2. При диаметре внешнего ротора Дарье примерно в 3 раза больше внутренней спирали Савониуса, оба ротора будут достигать максимального КИЭВ синхронно, при одной и той же частоте вращения. Разумеется, можно компоновать гирлянду и без совмещения спиралей, чередуя роторы разного типа друг над другом.

К сожалению, подобную гирлянду трудно изготовить в домашних условиях. Кроме того, вызывает некоторое сомнение умеренность шума такой ветроустановки. Все-таки это быстроходность того же порядка, что и у современных ветроколес. Правда, у последних основной шум создается при прохождении нижней лопасти мимо мачты, которая у гирлянды в принципе отсутствует (точнее, – находится пренебрежимо далеко).

Скорее всего, гирлянды-спирали той или иной конструкции также хорошо будут работать и в гидроэнергетике, – которая, собственно, их и породила: и сами гидрогирлянды (Блинов), и закрученные лопасти (Горлов).

В качестве лирического отступления можно отметить, что сочетание гирлянды Дарье с распорками в виде лопастей горизонтального пропеллера превосходящего диаметра представляет собой конструкцию с интересным свойством, – в отличие от несущего винта автожира она может создавать приличную подъемную силу уже при относительно небольших скоростях набегающего потока. Разумеется, расплачиваясь за это значительным лобовым сопротивленем, которое будут создавать вращающиеся вертикальные лопасти.

Вряд ли это повод немедленно начинать фантазировать о «летающей» ветроустановке, наподобие проекта Брайана Робертса (membrana.ru). Скорее, о неком экзотическом подобии буксируемого параплана или, наоборот, паруса.

Однако вернемся к ветрогирляндам в стиле Дарье. Через внутренний объем вращающейся гирлянды в форме вытянутого цилиндра будет проходить замедленный огибающими с наветренной стороны лопастями воздух. Т.е. давление внутри гирлянды будет повышенным, что ухудшает эффективность, препятствуя поступлению новых порций воздуха. Возникает вопрос, удастся ли увеличить КИЭВ за счет расходования некоторой части сообщенной лопастям энергии на принудительную откачку воздуха из внутреннего объема гирлянды?

Хотя это явно напоминает попытку поднять себя за волосы, все же можно представить вариант, когда распорки-лопасти при вращении толкают воздух вверх. В верхних слоях скорость больше, давление соответственно меньше, поэтому речь лишь о том, чтобы несколько усилить «естественную» вентиляцию такой «трубы». Или же можно производить откачку в горизонтальной плоскости по принципу действия центробежного насоса, устанавливая с некоторым вертикальным шагом вместо плоских пропеллеров загнутые по спирали лопасти-желобки.

Кстати, гирлянда-спираль это единственная конструкция, теоретически допускающая однолопастной дизайн ротора Дарье. Более тихоходной альтернативой обычному крыловидному профилю могут оказаться какие-нибудь легкие в изготовлении желобковые профили, или даже нечто более экзотичное, в духе вот такого виндротора: windstuffnow.com, или «классической модели» energy.org.ru.

Объединение гирлянд

При среднесезонной скорости ветра в 5 м/с, качественно изготовленной гирлянде и общем КПД мультипликатора и генератора 70%, один квадратный метр ВЭУ выдаст 20-21 ватт электроэнергии. Для производства одного киловатта понадобится 50 кв.м., или сто погонных метров при диаметре 50см.

Ясно, что вместо одной очень длинной гирлянды в большинстве случаев придется вешать несколько коротких. Здесь возможны две стратегии. Во-первых, устанавливать на каждую гирлянду многополюсный генератор на постоянных магнитах соразмерной мощности. Гирлянда диаметром 80 см и длиной 25 метров имеет площадь 20 кв.м., как у ветроколеса диаметром 5 м, – теоретически можно раскошелиться и на отдельный генератор, суммируя затем уже электрическую мощность.

Однако есть и альтернатива установке мультипликатора и генератора под каждой гирляндой, – можно c помощью механических передач замыкать их на один генератор. Этому способствует маленький диаметр гирлянд, – их можно располагать достаточно близко. Очевидный вариант объединения механической мощности таков: угловые редукторы с парой конических шестерен передают вращающий момент от гирлянд общему горизонтальному тросу, закрепленному одним концом на валу генератора. Это приведет к потере 3-5 процентов мощности на каждой гирлянде в одном ряду, и если рядов несколько, то еще столько же при вторичном суммировании рядов. Эти потери (включая стоимость редукторов и горизонтальных тросов) будут экономически оправданы, если стоимость большого числа маленьких мультипликаторов/генераторов в сравнении со стоимостью такого же числа угловых редукторов и одного мощного мультипликатора/генератора окажется много больше. Так же вполне возможно, что оптимальной будет установка одного генератора промежуточной мощности на один ряд гирлянд, гибко сочетая оба вида суммирования: механический внутри ряда и электрический между рядами.

Подшипники вверху и внизу гирлянды необходимы в любом случае. В сущности, подвес и редуктор – единственные узлы ветродвигателя как такового, требующие серьезного механического производства. Поскольку для ВЭУ достаточной мощности их потребуется не один и не два, а действительно много, их себестоимость в достаточно крупносерийном производстве должна быть умеренной.

Возможно, для удешевления механических редукторов подойдет стратегия их изготовления на китайский манер, – из пластика с ограниченным сроком службы и последующей периодической заменой быстроснашиваемых деталей.

Чтобы соседние гирлянды не перекрывали друг друга, желательна минимальная дистанция между ними в 10 диаметров. По крайней мере, такого правила придерживаются при сооружении ветропарков традиционных пропеллерных установок. Не исключено, что гирлянды можно будет разместить и несколько плотнее. В любом случае, не следует без особой нужды ставить их очень близко друг к другу, экономя пару десятков рублей на стоимости нескольких лишних метров троса, и теряя гораздо больше на фактическом снижении эффективной площади ветродвигателя.

Мачты

Как известно, за удовольствие надо платить, и в случае ветрогирлянд это вопрос о мачте, – к чему подвешивать? Хорошо, если речь о даче, и можно натянуть горизонтальный несущий трос между парой деревьев или между деревом и шестом на крыше, чтобы цеплять одну или несколько гирлянд уже к нему. Для установок, претендующих на нечто более чем 50-100 ватт, понадобится специальное сооружение.

Очевидным плюсом является возможность использовать в качестве опоры мачту на растяжках, которая дешевле решетчатых башен как минимум в 2- 2.5 раза. За счет потенциально высокой пространственной плотности размещения даже на одной мачте можно подвесить гирлянды значительной суммарной ометаемой площади. Но желательно как можно дальше разнести гирлянды друг от друга, и от ствола. Наверное, это будут (увы, быстро) понижающиеся от мачты кольца гирлянд, или одно кольцо в виде расходящегося шатра. К сожалению, максимально использовать жизненно необходимую ветроустановкам высоту в случае одной единственной опоры очень трудно.

Уже легче, если мачт будет две, можно выстроить ряд гирлянд, или лучше два параллельных ряда, обеспечив просвет между плоскостями с помощью горизонтальных распорок, вставленных между несущими торсами рядов. Вариантов расположения и для одной, и для двух мачт можно придумать множество, нужно только не забывать, что (1) система несущих тросов должна быть опускаемой, и (2) нижний край гирлянд также лучше закреплять на несущих тросах, растянутых на достаточном расстоянии от земли. Ветра у самой поверхности мало, и площадь под гирляндами лучше использовать в сельскохозяйственных целях.

Ясно, что действительно значительное количество гирлянд можно подвесить лишь на пространственных ячейках по 3 или 4 опоры. Тогда одна мачта сможет поддерживать углы сразу нескольких соседних ячеек с высокой плотностью заполнения гирляндами. Это существенно увеличивает минимальные начальные затраты на ветроустановку с одной ячейкой, зато если мощность планируется постепенно наращивать, добавление следующей ячейки потребует дополнительной установки уже только одной/двух, а не трех/четырех мачт.

О тихом ветре

По данным метеорологических наблюдений среднегодовая скорость ветра на большей части территории России редко достигает даже 5 м/с. Для Подмосковья это 3.2 м/с летом и 4.2 м/с зимой. Казалось бы, какие уж тут ветроустановки, – гоняться за несколькими ваттами с квадратного метра. Но не все так плохо. Во-первых, по оценкам самих метеорологов скорость ветра на многих городских метеостанциях систематически занижается на 1-2 м/с. Во-вторых, в приземном слое почти всегда имеется значительная горизонтальная турбулентность, – те самые порывы ветра. Вертикальноосевые турбины прекрасно работают в непостоянном по направлению потоке, а ротор Савониуса эффективно реагирует и на резкие скачки в силе ветра, – при внезапном падении быстроходности его крутящий момент только растет.

Нетрудно понять, что при слабом ветре его энергия в основном заключена именно в порывах. Если сначала осреднить ряд с сильной дисперсией, и затем возвести среднее в куб, результат будет заведомо меньше среднего от ряда кубов. Так, ветер со средней скоростью 4 м/с, периодически на 15% времени возрастающий еще на 4 м/с (классифицируется в метеорологии как ровный, а не порывистый!), будет содержать в 2 раза больше энергии, чем ламинарный поток 4 м/с. В условиях городской застройки, когда сильные порывы чередуются с полным затишьем, эта разница будет еще большей. Обычное ветроколесо в подобных условиях, скорее всего, даже не сможет стартовать, не то что выработать электроэнергию. Так же, из этих соображений установка отдельных генераторов под каждой гирляндой выглядит несколько предпочтительней механического суммирования (и тем самым усреднения) моментов.

Можно возразить, что соответствующую турбулентным возмущениям пульсацию электрической мощности на выходе ВЭС трудно утилизировать, и даже не стоит за ней гнаться. Да, эта проблема существенна, причем для любых ветроустановок, включая и классические пропеллеры. Для ветряков в составе систем автономного питания удаленных от сети централизованного энергоснабжения фермерских хозяйств и поселков обычно предусматривают разделение потребителей на группы по требовательности к качеству электропитания. По крайней мере, в зимнее время скачки мощности всегда пригодятся для отопления помещений.

Можно надеяться, что проблема запасания энергии впрок, актуальная для всех установок на возобновляемых источниках энергии, все-таки обретет в недалеком будущем приемлемые по стоимости решения. Технологический прогресс в этой области налицо, включая бесчисленные варианты топливных элементов, тепловые аккумуляторы для коттеджей, и даже механические маховики.

Например, вот этот проект (membrana.ru) составит неплохую компанию ветропарку гирлянд для сглаживания кратковременных пульсаций.

Относительно простой способ накопления энергии в серьезных объемах, – гидроаккумулирующие электростанции. Однако, их сооружение требует особых географических условий и значительных затрат.

Варианты применения гирлянд

В отличие от ветроколес гирлянды могут легко сочетаться с другими сооружениями, если соответствующая дополнительная ветронагрузка будет заложена на стадии их проектирования. Ветрогенерирующая ЛЭП – звучит довольно заманчиво. Различные варианты такого «симбиоза» предлагает Билл Бекер (energy2006.net).

Варианты размещения для вышки связи: вертикально, внутри, под углом

Под ЛЭП. На опорах контактной сети ЖД для энергоснабжения станций, переездов, депо, с выдачей излишков в контактную сеть.

Между вантами и под полотном подвесного моста

Горизонтальные гирлянды на несущем тросе в горных условиях, под пролетами мостов

Мобильный вариант с подъемом на воздушном шаре от метеозонда.

Заключение

Компоновка роторов в подвешиваемую гирлянду при использовании современных легких, достаточно прочных и недорогих материалов выглядит вполне оправданной. Гирлянды-спирали весьма технологичны в изготовлении, и могут найти самое разнообразное применение, от уличной рекламы до приливных ГЭС. Некоторые варианты ветродвигателей можно легко построить своими руками, причем при минимальных расходах.

Не исключено, что со временем ветропарки гирлянд в зонах отчуждения ТЭЦ станут обычным делом, – в странах, необремененных изобилием недр, и не загипнотизированных их мнимой неисчерпаемостью.

Ноябрь-декабрь 2006г.

Петр Колосов. wg_turbine@mail.ru

Дополнение к статье

К добротно сделанной статье Петра Борисовича добавлю несколько дополнений.

Как известно, коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) парусом не может превышать 19.5%. По результатам многочисленных продувок двухлопастной Савониус показывает КИЭВ до 25% (для некоторых модификаций были сообщения и о 30%).

В КИЭВ 19,5% для паруса не учитывается обратное движение паруса назад. Поэтому реальная парусная установка будет еще хуже по показателям. А если в Савониусе обеспечить трансформацию паруса на обратном пути, допустим, наподобие рыбьего хвоста, то его КИЭВ, возможно, удалось бы поднять еще выше. Тема далеко еще не исчерпана и ждет своих исследователей.

В нашей стране до войны К.А.Угринский исследовал несколько десятков профилей для Савониуса. Ему удалось найти такую оптимальную форму.

Война помешала продолжить исследования. После войны упоминаний о нем в Публичной библиотеке найти не удалось.

Стены из гирлянд, о которых говорит Петр Борисович, удобно размещать еще в одном месте. Над заборами усадебных участков. При кооперации с соседями можно поставить угловые высокие столбы на стыках четырех участков И дополнительные столбы наперпендикулярных сторонах.

Розин М.Н.