Энерговектор
О насНовостиНаука и технологииСтратегияАрхив

На крыльях «Альбатроса»

22.09.2014, Андрей ТЕРЕНТЬЕВ, генеральный директор ООО «Энергоинновации»
Перспектива малой ветроэнергетики – крылья вместо лопастей

Сегодня в мире широко используются ветроустановки классической схемы – с горизонтальной осью вращения лопастей. Эта схема лучше других изучена и отработана в производстве. Однако у неё, кроме известных положительных качеств, есть и существенные принципиальные недостатки, устранить которые нет возможности. Например, винт в турбинах такого типа наиболее эффективно работает при больших скоростях ветра, свыше 10 м/с. Между тем большая часть заселённой территории – как в России, так и в других странах – имеет низкий ветровой потенциал: среднегодовая скорость ветра, как правило, составляет от 3 до 4 м/с. Кроме того, работа таких установок зависит от направления ветра, что заставляет конструкторов применять различные устройства, отслеживающие ветер и разворачивающие ветроголовку по направлению потока. Во время поворота эффективность ветрогенератора значительно снижается.


Вертикальные идут

Нельзя сказать, что ничего не делается для более эффективного, дешёвого и экологически безопасного использования энергии ветра. Создано много опытных и серийно выпускаемых установок, главным образом для малой ветроэнергетики. Здесь разработчики предлагают самые разнообразные концепции, коренным образом отличающиеся от классической. Среди них перспективными считаются ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, обладающие такими преимуществами, как малошумность, независимость от направления ветра и простота конструкции. Помимо этого, некоторые из них тихоходны. Так, известный ротор Саввониуса работает практически бесшумно и запускает ветрогенератор при скорости ветра от 1,5 м/с. Однако у подобных установок есть и серьёзные недостатки по сравнению с классическими. Так, роторы Саввониуса имеют коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) всего 10–15%, в то время как у классических ветрогенераторов КИЭВ может достигать 45–47% (правда, только при высоких скоростях ветра – свыше 12 м/с).

Среди вертикально ориентированных наиболее перспективным считается ротор Дарье, названный по фамилии его французского изобретателя. Энергию ветра в нём преобразуют аэродинамические поверхности симметричного профиля. По сути, это крылья прямоугольной формы. При обдувании ветром под определённым углом к поверхности крылья создают подъёмную силу, которая через траверсы передаёт оси вращающий момент. Когда крылья разгоняются, в работу включается дополнительный набегающий поток воздуха. Эффективность такого ротора на настоящий момент в лучших системах достигает 43–45%. Однако и здесь есть существенные недостатки. Главный из них – плохой самозапуск. Ротору Дарье для старта необходима скорость ветра около 4 м/с. Кроме того, номинальный режим работы таких генераторов приходится на довольно высокие скорости ветра – 9–10 м/с.

 

На взлёте

Коллектив ООО «Энергоинновации» (Чебоксары) разработал и изготовил опытный образец ветроротора принципиально нового типа, сумев устранить ряд проблем и избавиться от названных недостатков ветророторов – как классических, так и вертикально ориентированных. Установка названа «Альбатросом» – как замечательная птица, которая среди пернатых имеет самые длинные крылья и большую часть своей жизни проводит в полёте.


Прототип «Альбатроса» на испытаниях на крыше здания

Главное отличие чебоксарской разработки от известных аналогов – наличие средств механизации крыла, как на самолётах. На «Альбатросе» установлены управляемые щелевые закрылки Фаулера. Специалистам по аэродинамике известно, что щелевые управляемые закрылки позволяют увеличить подъёмную силу крыла в 1,6 раза. Они также помогают улучшить обтекание крыла, сместив точку срыва потока к его концу. Благодаря механизации инженеры компании смогли реализовать адаптивное управление крыльями – они сами подстраиваются под ветер, автоматически меняя и угол атаки, и профиль крыла. Последний также существенно улучшен. Так, если в роторе Дарье профиль крыла имеет солидное утолщение, для которого требуются значительные материалозатраты на производстве и которое увеличивает массу крыла, то здесь профиль крыла почти в четыре раза тоньше, само оно проще в изготовлении, легче и, как следствие, быстроходнее. Крылья изготавливаются из стеклопластика, а потому не подвержены обледенению, что особенно актуально для эксплуатации в северных районах.

Необходимая подъёмная сила на старте и разгоне достигается с помощью простой (в отличие от самолётной) системы механизации крыла, обеспечивающей автоматическое, адаптивное управление его конфигурацией и углом атаки. Изюминка разработки и ноу-хау конструкторов – именно система механизации крыльев. Благодаря ей «Альбатрос» демонстрирует уникальные технические характеристики. Так, действующий прототип запускается при скорости ветра всего 0,7 м/с (с подключённой нагрузкой) и обеспечивает устойчивый заряд аккумулятора при всего 1,5 м/с. Номинальная скорость ветра равна 5 м/с, предельная – более 20 м/с (максимально зафиксированная в районе испытаний), КИЭВ – 50%. При этом сама ветроустановка получилась бесшумной в работе, что позволяет монтировать её на крышах домов или опорах в непосредственной близости от жилых помещений. Вращение ветроротора напрямик передаётся на тихоходный электрический генератор (не нужен мультипликатор), что значительно упрощает конструкцию.

 

Из яйца науки

«Альбатрос» имеет футуристический вид, но это не плод фантазии дизайнеров, а результат глубоких теоретических и экспериментальных исследований. Уже более трёх лет специалисты ООО «Энергоинновации» совместно с учёными Чебоксарского политехнического института (филиал Московского государственного машиностроительного университета) проводят исследования в области ветро- и гидроэнергетики. Сначала они помещали простые настольные модели в поток воздуха от вентилятора. После чего в гидропотоках на малых скоростях подробно изучили картину обтекания вращающегося ротора. Затем изготавливали более крупные модели, которые испытывали в аэродинамической трубе и буксировкой на автомобиле. По ходу анализа экспериментальных данных рождались новые идеи, улучшались характеристики ротора. Например, была предложена двухъярусная схема с закреплением крыльев в определённом порядке, чтобы полнее использовать поток ветра, разработан простой и эффективный способ управления углами атаки крыльев и закрылками. В итоге был изготовлен образец ветроэнергетической установки мощностью 1 кВт, который сейчас проходит опытную эксплуатацию на крыше одного из корпусов Чувашского государственного университета (см. фото).

В процессе опытной эксплуатации конструкторы изменили схему крепления крыльев, повысив ветроустойчивость. «Альбатросу» на крыше довелось испытать порывы ветра до 25 м/с. Выяснилось, что конструкция не требует остановки при сильных порывах ветра для предотвращения поломки. Наоборот, желательно, чтобы ротор продолжал вращение. Он не разгоняется выше критических оборотов, поскольку закрылки начинают играть роль аэродинамического тормоза.

Предварительные результаты опытной эксплуатации показали, что уже при небольших скоростях ветра (от 1,5 м/с) на роторе «Альбатроса» возникает большой крутящий момент. Значит, для нужд потребителей можно будет эффективно использовать малые и средние ветры, которые характерны для основной части территории России.

Для проверки долговечности установки потребуются её комплексные испытания. Однако уже сейчас можно сказать, что выбранные конструкторские решения позволят обеспечить работоспособность «Альбатроса» в течение по крайней мере 10 лет.

 

В потоке

По окончании испытаний опытного образца предполагается организовать производство целой линейки «Альбатросов» с мощностями от 1,5 до, в перспективе, 100 кВт. Однако к началу серийного производства необходимо решить задачу комплектации установок тихоходными (до 100 об./мин.) электрогенераторами. Дело в том, что подобные генераторы серийно не выпускаются. Конструкторы тихоходных ветроустановок вынуждены самостоятельно изготавливать генераторы для своих нужд или приспосабливать имеющиеся. К счастью, вопрос уже решается. В ООО «Ной» (Москва») занялись разработкой и подготовкой к производству целой линейки генераторов специально для «Альбатросов».

* * *

Созданную в ООО «Энергоинновации» ветроустановку можно будет использовать вместо турбин традиционного типа как в районах с низким ветропотенциалом, так и там, где нет недостатка ветров. «Альбатрос» должен везде выигрывать и по стоимости, и по эффективности.

С автором статьи можно связаться по телефону: +7-903-322-2805

 



 

Редакция

Главный редактор: Иван Рогожкин
Консультант: Людмила Зимина
Корректор: Анатолий Печейкин
Дизайнер: Мария Хомутская
Руководитель проекта:
Максим Родионов

Контакты

Россия, 101000,
г. Москва, а/я 230.
Тел.: +7 (916) 422-95-19
Web-site: www.enegrovector.com
E-mail: oilru.com
facebook.com/energovector


©2011-2017. Ежемесячная газета «Энерговектор». Все права защищены.