Власов В.Н.
Сухопутная парусная флотилия Гравио.
Без энергии невозможна никакая деятельность каждого человека в отдельности и человечества в целом. По сути дела, любая деятельность человека является деятельностью экономической, так как экономика – это процесс обмена между людьми порциями энергии или их информационными отражениями в виде так называемой стоимости, ибо стоимость – это информация о затраченной на производство товара или услуги энергии. За последние 30-35 лет потребление энергии в мире удваивается каждые 10 лет, этим подтверждается, что научно-техническое и экономическое развитие – это, прежде всего, развитие энергетическое.
Будет прирост энергии – будет и прирост ВВП, нехватка энергии находит своё отражение в так называемых финансовых и экономических кризисах. Люди пытаются найти причину таких кризисов в чем угодно, но только малое число экономистов и политических деятелей понимают роль энергии в экономических и финансовых катаклизмах последних 20 лет. Те, кто не понимает роль энергии, решает экономические проблемы уничтожением «лишнего» населения в военных конфликтах. Тот же, кто понимает толк в энергетике, решает экономические проблемы через научно-техническое развитие, важной составной частью которого является развитие энергетического комплекса.
Увеличивающееся энергопотребление в течение последних десятилетий удовлетворяется в основном за счет использования традиционных энергоносителей - угля, нефти, газа, торфа, воды (гидроэнергетика) и атомной энергии. Быстрый рост энергопотребления, паника на рынках энергоносителей в виде резкого удорожания топлива и энергии, обострение геополитических, экономических и экологических проблем топливно-энергетического комплекса (ТЭК) требуют более обоснованной и тщательной проработки принципов использования природных ресурсов и стратегии развития энергетики. Поэтому с каждым годом все более актуален поиск и освоение альтернативных нетрадиционных источников энергии, к которым, в частности, относится ветроэнергетика.
Доля нетрадиционных возобновляемых безтопливных источников энергии (солнечной, ветровой, геотермальной, малых водных потоков и др.) в общем объеме мирового производства электроэнергии составляла в 2006 году около 2%. При этом, просто смешно, в Российской Федерации эта доля составляла доли процента. Одновременно Россия может гордиться своей отсталостью хотя бы в том, что более семидесяти процентов электроэнергии вырабатывается на тепловых станциях, работающих на мазуте или угле. И это тогда, когда запасы углеводородов (угля, нефти и газа) таят буквально на глазах, а половина добытой нефти и газа прямиком идет за рубеж нашим историческим конкурентам, с которыми у России может в будущем возникнуть военных конфликт. По оценкам специалистов российские запасы нефти иссякнут приблизительно через тринадцать лет, а запасы газа - через шестьдесят лет.
Все установки, перерабатывающие кинетическую энергию прямолинейного движения массы ветрового потока в энергию вращения ротора генератора с последующим превращением ее в электрическое напряжение на выходных клеммах электронного инвертора, делятся на несколько типов. Основными из них являются ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Согласно международным стандартам (IEC 61400, Требования по Ллойду) мощность ВЭУ принимается за номинал на скорости ветра 11.4 м/сек. КПД ветроэнергетической установки (эффективность использования энергии ветра) – величина, показывающая, сколько процентов энергии ветра ветро-ротор отбирает и передает на генератор. Эту величину принято считать КПД ВЭУ (КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра), хотя на самом деле это КПД ветро-ротора (ветроколеса). Реальный КПД всей ветроустановки установки можно подсчитать, приняв во внимание КПД генератора (70-90%), КПД инвертора (если таковой имеется, 80-90%) и КПД передачи энергии на расстояние.
Лопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения легко сделать, если мощность ВЭС не превышает 10 кватт, но при увеличении мощности ВЭУ возникают большие технические сложности. Этот тип установок получил наибольшее (традиционное) распространение в связи с рядом причин: наибольшая эффективность (КПД) использования ветра (до 42% на практике, но только при наличии должного направления ветра) по сравнению с другими конструкциями, благодаря «подъемной силе» крыла; традиционность мышления людей, принимающих решения. Среди ВЭУ с горизонтальной осью вращения существуют несколько подтипов – крыльчатые (лопастные) различных конструкций, с эффектом Магнуса, и другие. Самые известные своей эффективностью являются крыльчатые лопастные ВЭУ (рис.1).
Рис.1.
Однако у лопастных ВЭУ с горизонтальной осью вращения имеются один, но очень существенный недостаток – заметная инерционность при ориентировке на ветер. Изобретатели, разработчики и фирмы-производители сознательно замалчивают этот факт от потребителя, информируя его только о достоинствах установки, которые проявляются только в аэродинамической трубе, т.е. в специально созданных условиях. Но на деле же получается следующее. Мощность ВЭУ рассчитывается, исходя из того, что направление ветра всегда совпадает с осью вращения ветро-ротора, т.е. ветер дует непосредственно на расчетную поверхность лопастей. В результате получается расчетная мощность ВЭУ. Однако из жизни известно, что направление ветра не является константой, ветер постоянно меняет свое направление. Скорость изменения направления ветра во много раз превышает реакцию лопастных ветроустановок в ответ на изменение направления ветра. В итоге создается ситуация, когда лопасти вращаются просто по инерции в то время, когда ветер дует перпендикулярно оси вращения лопастей.
У мощных лопастных ветряков система управления изменяет направление флюгера, если ветер в новом направлении дует более 15 сек. Если поток воздуха будет менять свое направление с интервалом менее 15 сек, то ветряк просто не меняет своего направления. Следовательно, лопасти могут перестать вращаться. Да и в том случае, если направление ветра меняется с интервалом более 15 секунд, нет никакой гарантии, что после поворота ветряка ветер к этому моменту будет дуть во вновь выбранном направлении. При повороте лопастей начинают проявляться силы Кориолиса, будет сказываться инерция всей гондолы с генератором, редуктором и т.д. При высокой частоте вращения лопастей выявляются малейшие неточности в центровке лопастей, неравномерность мощности ветра по высоте, что ведет к поломке лопастей или разрушению всей ветроэнергоустановки.
Существенным недостатком является сложность технологического процесса производства лопастей, т.к. профиль лопасти (винта) не является одинаковым по сечению вдоль ее длины. Начиная с 3 кВт, такие ВЭУ требуют специальное раскручивающее устройство, т.е. стартовать сами такие установки не могут. Это приводит к усложнению системы старта и управления, а значит, к удорожанию ВЭУ. На Западе много влияния уделяется тому факту, что ВЭУ с горизонтальной осью вращения являются опасными для птиц. Это происходит в связи с тем, что внешняя часть лопасти движется быстрее, чем внутренняя и птицы не могут своевременно «рассчитать» ее скорость, чтобы увернуться. ВЭУ большой мощности становятся источниками инфразвука, который оказывает негативное воздействие на людей и животных, может вызывать появление нежелательных колебаний в близко расположенных зданиях, вплоть до их разрушения.
Многих недостатков лишены ВЭУ с вертикальной осью вращения. Это роторные установки системы Савониса, Болотова и т.д. В последние годы в ООО «ГРЦ-Вертикаль» проведены исследования и испытания различных вариантов роторных установок по схеме H-Дарье. На рис.2 представлен оригинальный шестилопастный ветро-ротор, который в совокупности с оптимальным профилем лопастей дает КПД до 45% при любом направлении ветра. ВЭУ до 100 кВт являются самораскручивающимися (т.е. не требуют дополнительных затрат энергии на раскрутку ветро-ротора до номинальных скоростей вращения).
Рис.2.
Под такие ветро-роторы разработаны компактные и мощные электрогенераторы на постоянных магнитах, срок службы которых достигает 50 лет. Да и сама ВЭУ имеет теоретически близкий срок эксплуатации.
Наряду с ВЭУ большой мощности, ротор которой
изображен на рис.2, ООО «ГРЦ‑Вертикаль» выпускает целую линейку ВЭУ
мощностью от 1 до 10 кватт, оптимально приспособленных для индивидуальных
потребителей. Правда есть одно но. Это высокая, пока ещё, цена таких установок.
Кроме того, такие установки невозможно создавать в индивидуальном порядке
силами сельских умельцев, Для которых ветроустановки, как источники
электроэнергии, имеют жизненно важное значение. Поэтому сельским жителям больше
подойдут, наверное, эффективные ветряки Gravio, которые могут быть реализованы
как с горизонтальной, так и вертикальной осью вращения ветроколеса. И главной
особенностью ветряков (ВЭУ) Gravio является то, что эти ветряки парусные.
Несмотря на то, что к самому Gravio можно относиться подозрительно, так как он ведет на своем сайте и форуме не совсем «прозрачно», тем не менее вопрос не в самой личности Gravio, а в тех идеях, которые он излагает в своих кратких статьях, ответах и комментариях на форуме.
Основная часть сухопутных парусников Gravio является наследниками древнего критского ветроколеса (рис.3), различные варианты которого продолжают использовать в ветряных мельницах Испании, Греции и в других странах Средиземноморья. Учитывая, что цивилизация Крита – это одно из направлений прарусской цивилизации, можно считать, что парусное ветроколесо – это одно из великих изобретений русского народа. когда-то проживающего на Крите.
Рис.3.
На рисунке прекрасно видно, что по сравнению с лопастями классических мельниц, например, голландских или российских, парусные лопасти проще в изготовлении, эксплуатации или ремонте. У паруса есть одна важная особенность, которой нет у классической лопасти. Парус практически мгновенно подстраивается под силу и направление ветра, что обеспечивает возможность работы парусного ветряка в широком диапазоне скоростей ветра, от самых малых до буревых (50-60 м/с). Так как паруса располагаются по периферии ветроколеса, то даже при слабом ветре такое ветроколесо передает на ось электрогенератора заметную мощность, тогда как сечение лопасти у классического лопастного ветряка уменьшается от центра к периферии, поэтому лопастные ветряки, такие как на рис.1, не способны утилизировать слабый ветер.
|
|
|
Рис.4. ПАРУСНЫЕ ВЕТРОГЕНЕРАТОРЫ ВЭУ-380-220/50
На рис.4 показаны два варианта парусных ветряков Gravio с горизонтальной осью вращения. Данные парусные ветрогенераторы являются изобретениями Gravio, такой ник взял себе, наверное, Каплий Владимир Иванович, часть изобретений которого лежат на Луне и Венере. Предлагаемые им и его компанией парусные ветрогенераторы предназначены для безперебойного снабжения электроэнергией промышленных параметров 380/220/50 владельцев индивидуальных строений, агроферм и предприятий малого бизнеса и т.д. Кроме электроэнергии - снабжают бытовым газом кухонные плиты (гидролиз + науглераживание). Парусные ветрогенераторы устанавливаются его командой либо под ключ, либо предусмотрена возможность самостоятельной сборки ветроэлектростанций из поставляемых комплектов деталей в разных вариантах. При желании заказчика его могут за отдельную плату снабдить технической документацией. Но есть одна важная особенность…
Gravio заключает договоры на поставку энергогенераторов и технической документации только с владельцами личных земельных участков. И предоставляет свои парусники, как и микроГЭС, не в собственность, а в долговременную аренду. Казалось бы, что тут особенного, но в правовом отношении Gravio и его компания остаются навечно собственниками поставляемых энергоустановок, в том числе и парусных ветрогенераторов. Контроль за работой энергоустановок, скорее всего, ведется через спутники. Так что большой части граждан России такое счастье не грозит, а для богатых, мечтающих об энергетической независимости, думаю, не важно от кого зависеть – от Gravio или иной частной энергогенерирующей компании. Хотя есть нюансы, энергогенераторы Gravio позволяют получать энергию на своей земле и тут же её использовать, а после погашения затрат на приобретение установки, получать энергию даром в течение 50 лет. Но при нарушении условий договора Gravio установку может забрать. Так что выбор за потребителем, но все права у Gravio.
У парусных ветряков Gravio, даже с горизонтальной осью вращения, устанавливаемых на столбы и мачты, есть много положительных качеств. Они отличаются от традиционных лопастных ветроустановок дешевизной, абсолютной экологичностью, способностью использовать энергию слабых ветров (2...5м/сек) и все это на фоне полного отсутствия больших вращающихся разнесенных масс, которые обеспечивают довольно высокую степень безопасности для окружающих. К примеру, классическую лопастную вертушку-маломерку нельзя поставить на пасеке из-за вероятности смертоубийства пчел и другой живности. Отсутствуют звуковые возмущения, вибрации и другие отрицательные стороны традиционных ветряных систем.
С целью расширить область применения и использовать силу ветра сразу в полезных целях у Gravio возникла мысль обеспечить крестьян не только электроэнергией но и бытовым газом. Предпосылкой к этому, по его мнению, послужил очень низкий КПД щелочных аккумуляторов. Действительно - паспортные данные на "щелочники", к примеру, гласят о 40% процентах потерь электроэнергии. Куда ж пропадают эти самые проценты? Ответ известен даже школьнику - часть энергии преобразуется в тепло, а еще ЧАСТЬ энергии, - идет на не нужный (?) в хозяйстве гидролиз – разложение воды на водород и кислород. И здесь сработала известная поговорка "...в хозяйстве все сгодится!". В результате исследования Gravio и его команды оказалось, что если специально (принудительно) "ухудшить" КПД имеющихся в распоряжении аккумуляторов - изменив например, состав электролита в нужную сторону, можно получить из готовых серийных батарей превосходный гидролизер практически промышленного изготовления. А вот как науглераживать газ для снижения пожаровзрывоопасности и увеличения теплотворности - описано в популярной технической литературе прошлого тысячелетья.
Предлагаемые Gravio парусные ветрогенераторы лучше всего подходят для сельской местности. Сельскому жителю, имеющему подворье, постоянно приходиться запаривать корм животным или обогревать теплицы, и в этой части газ проявляет свои лучшие свойства по теплотворности, чем электрообогрев ТЭНами. При этом буферный каскад работает с суммарным КПД 95%. Кроме того, для нужд хозяйства нужна и механическая энергия, к примеру, для водоподъема или прессования самана. ВЭУ-380-220/50(СХ), изображенная на рис.4, даже в полный штиль и отсутствия госсети обеспечит хозяйство электроэнергией и газом. В зависимости от комплектации парусные ВЭУ поставляются в однофазном исполнении и трехфазном. Типовые модели: 1кВт, 4кВт, 10кВт. Максимальная мощность – до 100кВт. Стоимость: на 20.01.2006 - 4кВт ветроагрегат – 80 000 руб, 4кВт ветроагрегат для Родовых поместий – 72 000 руб. Комплект: поворотная опора (механизм крепления на штангу), мотор-редуктор, ветро-колесо, две запасных лопасти (паруса). Напряжение на выходе: 380В. Дополнительная комплектация: аккумуляторные батареи, зарядное устройство, инвертор, электроника для совмещения с центральной сетью, штанга, крепеж штанги.
У ветряков Гравио, как он сам поведал на своём форуме, имеется простой, но эффективный механизм для стабилизации частоты вращения ветрового колеса. Радиальные трубы, на которых крепятся паруса, полые и внутри их установлен простой механизм для стабилизации частоты вращения независимо от скорости ветра. Механизм очень простой - металический цилиндр с продольным отверстием по центру, вдоль которого от проксимального конца трубы до конца этого груза протянут резиновый шнур или жгут, который закреплен на дистальном конце груза. При вращении этот груз под действием центробежной силы начинает перемещаться к концу трубы, натягивая резиновый шнур. При уменьшении силы ветра груз начинает перемещаться к центру колеса, но по закону сохранения импульса это приводит к тому, что несмотря на снижение силы ветра колесо продолжает вращаться с прежней частотой. Применив такой простой центробежный регулятор частоты вращения, Гравио избавился от необходимости применять электронику и всякие иные хитрости. Вместо такого центробежного регулятора, как отметил Гравио, можно использовать масло и свинцовую дробь. Засыпаешь в трубу достаточную порцию дроби, затем заливаешь в трубу под завязку масло, и закрываешь герметично дистальный конец трубы. При увеличении силы ветра частота вращения колеса начинает увеличиваться, дробь перемещается на периферию, момент инерции колеса растет, частота вращения его снижается. При уменьшении силы ветра будет происходить обратный процесс. При определенном диапазоне скорости ветра частота вращения ветроколеса с помощью таких простых методов будет поддерживаться на постоянном уровне. Даже если ветер на время стихнет, колесо по инерции некоторое время продолжит вращаться, пока очередной порыв ветра вновь не зарядит его энергией. Т.е., колесо в определенном смысле выполняет функции аккумулятора небольшой емкости, хотя бы на 5-10 минут, что позволяет обеспечивать непрерывную подачу электроэнергии потребителю. В крайнем случае, есть время для переключения на иной источник энергии, если ветер затихнет надолго.
Есть соображения, что при известной сообразительности и изворотливости можно сделать ветряк Гравио всепогодным. Для этого, как мне кажется, можно, утяжелив трубы, соорудить облегченную воздушную "бочку" Гравио (микроГЭС). Добавив на такой каркас паруса, можно получить ветряк, который будет вращаться в безветренную погоду за счет гравитации, правда, с небольшой мощностью. Но и 200 ватт иногда достаточно. А при усилении скорости ветра мощность ветряка будет уже определяться самим ветром и системой стабилизации частоты вращения.
Эта информация дает достаточно полное представление, что парусные ветроустановки Gravio могли бы при массовом применении в сельской местности и в небольших городах решить многие проблемы, которые из-за плохого управления энергосетями России возникают всё чаще и чаще. Лично я живу в сельской местности, но в пятиэтажном доме. За последние 10 лет не было грозы, при которой бы в нашем доме не отключалось электричество. И, как назло, одновременно сгорает мотор водокачки. В результате от нескольких часов до суток приходится сидеть без электричества, света, холодной и горячей воды, а значит и без туалета. Хорошо, что есть газ. При наличии ветряка на 10-20 кватт на крыше нашего многоэтажного и многоквартирного дома можно было бы иметь энергию хотя бы на самое необходимое.
Думаю, что в каждом сельском населенном пункте с числом жителей более 500 человек только для энергообеспечения жилого фонда, не считая сельхозпредприятий, должен быть источник энергии не менее 300-500 кватт мощности: либо ветрогенератор, либо микроГЭС на ближайшей речушке, либо микроГЭС Gravio, либо то и другое, а еще лучше, если ветряк или микроГЭС будет вместе с аккумулятором типа супермаховика. А в населенных пунктах поменьше тоже должны быть, например, ветряки с мощностью из расчета 1 кватт на одного жителя. Возможно, стоимость кватт*часа на таких установках будет выше, чем получаемого из общей сети, но кто будет возмещать убытки в случае отключения населенного пункта от общей сети? Почему при расчете стоимости кватт*часа никогда не учитывается упущенная выгода, а иногда и прямые убытки тех, у кого отключается электроэнергия? Что-то не было слышно, чтобы Чубайс покрыл убытки Москвы и москвичей при известной энергетической катастрофе в Москве. Люди немного помучились, и на этом всё завершилось. Добрый у нас народ при безжалостном государстве с безсовестными чиновниками и бизнесменами.
О достоинстве ВЭУ с горизонтальной осью вращения прекрасно высказался сам Gravio (см. список источников внизу статьи). Но у Gravio есть варианты ВЭУ c вертикальной осью вращения. И опять вместо жесткой лопасти в ветроколесе используется «гибкий» парус. В качестве устройства, передающее вращение от оси ветроколеса к оси электрогенератора, используется задний мост автомобиля: от УАЗа до КАМАЗа. Соответственно и мощность таких ВЭУ достигает 100 кватт и более.
|
|
|
Рис.5. Вариант парусного колеса и ВЭУ с вертикальной осью вращения.
(взято с форума Gravio).
Естественно, варианты парусных ВЭУ, предложенные Gravio, не единственные. Многие авторы, как в Европе, так и в США, работают над различными вариантами парусных ветроколес (рис.6).
|
|
|
Рис.6. Варианты парусных ветроколес.
(взято с форума Gravio).
Даже вариант на рис.7, казалось бы лопастного ветряка, по сути дела, является парусным ветряком с жесткими лопастями. Изготовление таких лопастей гораздо проще изготовления классических винтов.
Рис.7.
Но вернёмся к ветрякам Gravio. Основными достоинствами его конструкций является то, что они доступны для самостоятельного изготовления сельскими жителями из широко распространенных комплектующих. Электрогенератор – асинхронный мотор подходящей мощности, который подключается по схемам, хорошо известным любому грамотному электрику. Паруса имеют простое крепление и противобуревую защиту, в качестве которой выступает стальной трос заранее рассчитанного диаметра, который при достижении критической силы ветра просто рвется, предоставляя парусам полоскаться по ветру. Для приведения колеса в «боевую» готовность достаточно заменить порванный трос на новый.
Колеса парусников вращаются медленно, но обладают большой мощностью и моментом. Удалённое относительно оси вращения расположение парусов позволяет утилизировать струйки слабого ветра. В принудительной раскрутке парусник не нуждается. Ткань паруса очень гибко «подстраивается» под любой ветер, что позволяет извлекать из ветра мощность (энергию) с максимально возможным КПД без применения специальной системы управления. Ориентируется ветроколесо по ветру самостоятельно, а благодаря малой инерции и высокой «флюгерности» ветроколесо осуществляет это быстро и без потери мощности. При большом радиусе парусного колеса ему не страшны неравномерности в скорости ветра по высоте, так как каждый парус, работая на общую ось, гибко сам подстраивается под силу и направление локального воздушного потока. Кроме того, паруса в «рабочем» состоянии, создают между собой систему воздушных каналов, воздух в которых перенаправляется в таком направлении, что обеспечивается увеличение мощности ветроколеса, в том числе за счет эффекта присоединенных масс, так как увеличение скорости воздуха между парусами приводит к падению давления между ними, а значит, в эти зоны будет устремляться воздушные потоки, «пролетающие» рядом с ветроколесом. Т.е. эффективная площадь сечения воздушного потока, которая будет формировать итоговую мощность ВЭУ больше ометаемого парусником сечения, если брать в расчет диаметр колеса. И весь этот воздушный поток «перехватывается» парусами с высокой эффективностью.
Известно, что мощность ветряка прямопропорциональна ометаемой площади и кубу скорости ветра. Максимальная мощность ветряка с ометаемой площадью в 1 кв.м. при скорости ветра в 10 м/с примерно составляет 600 ватт. Так как парусный ветряк быстрее поворачивается по ветру, чем классический лопастник, самостоятельно вращается при ветрах слабее 1 м/с, то за одинаковое время эксплуатации «парусник» при той же ометаемой площади снимет с ветра больше энергии, чем классический лопастник. Парусник при изменении направления ветра на 180 градусов этот факт просто не заметит, так как его колесо будет вращаться и в том и другом случае в одну сторону. Классический лопастник половину порывов ветра просто пропускает из-за своей высокой инерционности, а на слабые порывы ветра, даже дующие вдоль оси ветроколеса, не в состоянии реагировать. При изменении направления сильного ветра на 180 градусов лопастник изменит свое вращение на обратное. А это уже совсем плохо. Тут никакой флюгер не поможет.
Выбирая источник энергии, т.е., сеть или парусник, необходимо учитывать не только параметры ВЭУ, но самое главное, надо заранее выяснить, а есть ли, вообще, смысл устанавливать ветряк. Мощность ветряка должна соответствовать мощности ветров на выбираемом участке земли и заданной высоте. Если ветер слабый, если он дует непостоянно с длительными перерывами, то, скорее всего, следует остановить свой выбор на микроГЭС Gravio. Или при наличии большого количества солнечный дней остановить свой выбор на солнечных батареях и солнечных коллекторах. Но в любом случае иметь собственный безтопливный источник энергии в наше бурное и сложное время всегда полезно. Важно, чтобы государство этому процессу хотя бы не мешало. И тогда сухопутная парусная флотилия Gravio будет способна решить проблемы энергетической безопасности многих граждан России, особенно в сельской местности. Лишняя энергия в наше время – то же самое, что лошадь и меч в Средние Века.
Источники:
- Gravio. Аэродинамика парусного ветроколеса.
http://gravio.do.am/index/0-11 - Gravio. Ветряки.
http://gravio.do.am/index/0-4 - ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
УСТАНОВКИ
http://nii-uralmet.narod.ru/presentation/presentation.htm - Дудников В.С.
О ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ВЕТРОУСТАНОВОК ТИПА ДАРЬЕ
http://www.rusnauka.com/11._NPRT_2007/Tecnic/22187.doc.htm - Петр Колосов.
Ветрогирлянды.
http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm - Сравнительный
анализ ветроустановок
http://addcos.com.ua/Stat_i/Vetrostantcii/Vetroenergetika2
1 сентября 2008 г.
