Опередившие ветер
В 1930-е в СССР был разработан проект по строительству самой мощной на тот момент в мире (10 МВт) Крымской ветровой электростанции. Соорудить её было намечено неподалёку от Ялты на высоте 1324 м над уровнем моря на горе Ай-Петри, где почти постоянно дуют ветры. В расчёте получить многомегаваттные турбины (в серийном исполнении созданные только в нынешнем столетии) советские конструкторы П. К. Горчаков и Ю. В. Кондратюк применили ряд оригинальных технических решений. Давайте посмотрим, насколько они предвосхитили будущие тенденции в развитии ветрогенерации.
Крымская ВЭС представляет собой тонкостенную цилиндрическую железобетонную 165-метровую башню. Столь большая высота объясняется стремлением получить максимально возможную мощность. На башне расположены одна над другой две гондолы с трёхлопастными винтами. То есть авторы проекта правильно решили, что для мощных ветроустановок нужно использовать конструкцию с горизонтальной осью и тремя лопастями. Но с размещением двух турбин на одной башне они не угадали. Подобные решения компания Vestas впоследствии опробовала и отмела как неперспективные.
В проекте ВЭС каждая ветровая турбина оснащена своим электрогенератором мощностью 5 МВт. Гондолы, в которых помещаются передаточные механизмы и генераторы, имеют длину 21 и ширину 8 метров. Первая гондола расположена на высоте 65 м от земли, вторая - на высоте 165 м, то есть на самой вершине башни. Диаметр лопастей у обеих турбин равен восьмидесяти метрам. Они начинают работать при скорости ветра 6 м/с. Полной мощности система достигает при ветре в 20 м/с. Для поддержания постоянной частоты вращения (20 об./мин) лопасти ветряка автоматически изменяют угол атаки.
Большой подшипник
Изготовить многометровые зубчатые колёса и подшипники в те времена, по-видимому, технологии не позволяли. Конструкторы оригинально решили проблему ориентации турбин на ветер, предложив поворачивать сразу всю ветроустановку весом 5300 тонн. Для этого использовали жидкостный шарнир. Основание башни расходится конусом и погружено в цилиндр, наполненный жидкостью под давлением 237 атм. Как предполагалось решать проблему герметичного уплотнения, чтобы жидкость не вытекала, неизвестно.
Следующая проблема - предотвращение наклона и падения башни. Для этого её поддержали тремя растяжками из стальных тросов. Очевидно, что наверху тросы должны были крепиться не к самой башне, а к кольцу, свободно вращающемуся вокруг неё. Отметим, что сегодня поставщики ветрогенераторов многомегаваттного класса растяжек не применяют, чтобы земли вокруг турбин можно было свободно использовать в сельском хозяйстве. Им также доступны электронные системы управления, которые в ураган и перед сильными порывами ветра автоматически поворачивают лопасти, минимизируя парусность, а с ней - и боковое давление на башню. В 1930-е электронных систем не было, поэтому советские конструкторы полагались на механические решения.
Согласно проекту Крымская ВЭС может выдерживать постоянный ветер со скоростью до 60 м/с (а это мощнейший ураган) и рассчитана на кратковременные порывы ветра с пиковой скоростью 75 м/с. «Полная безопасность работы достигается ещё и тем, что соединение винта с генератором осуществляется через так называемую гибкую муфту, - отмечено в журнале "Техника - молодёжи" за октябрь 1936 года. - Она обеспечивает мягкость соединения и, кроме того, при повышении числа оборотов лопастей выше дозволенного автоматически разъединяет турбину и генератор». Можно также предположить, что планировалась какая-то тормозная система, иначе непонятно, как проводить техническое обслуживание и ремонт лопастей и муфты.
Лопасти
Прочнейших композитных материалов, используемых сегодня при производстве лопастей, в 1930-е ещё не существовало. Советские конструкторы были вынуждены полагаться на оригинальные решения. «Всякой ветросиловой установке очень опасен так называемый "удар в спину", когда внезапный порыв ветра налетает сзади, со стороны башни, - отмечала "Техника - молодёжи". - В этой установке лопасти устроены так, что они под ударом ветра в спину отгибаются вперёд, то есть в направлении, перпендикулярном к плоскости вращения. Когда порыв ветра проходит, крылья ветряка автоматически возвращаются в прежнее положение». Похожим образом реагируют на ветер листья пальмы. Любопытно, что конструкторы ветровых турбин вернулись к этой идее уже в нашем веке.
В 2016 году группа американских исследователей предложила значительно увеличить размеры ветрогенераторов - строить гигантские ветровые турбины с пятисотметровыми башнями и длиной лопастей около 200 метров. Мощность генератора в этом случае можно довести до 50 МВт. Снова возникла проблема прочности лопастей, поэтому учёные предложили развернуть систему по отношению к направлению ветра (гондола впереди, крыльчатка сзади), а в лопастях применить особую конструкцию, позволяющую им складываться в случае значительного увеличения скорости ветра. Технология получила название «Сегментированный ультралёгкий трансформирующийся ротор» (Segmented Ultralight Morphing Rotor). Однако вернёмся в 1930-е.
«При изменении направления ветра специальное приспособление автоматически включает поворотную систему, - поясняет журнал. - Она содержит рельсовый путь, проложенный вокруг башни. По кругу ходит электровоз, который с помощью дышла поворачивает всю установку в нужном направлении...» Здесь, очевидно, конструкторы просто применили известные на тот момент технические решения.
Трансмиссия
Большую сложность представляла проблема передачи механической энергии от лопастей к генератору электрического тока. Вал генератора должен вращаться с частотой 600 об./мин, а крыльчатка даёт только 20 оборотов. Следовательно, необходимо было создать мультипликатор с передаточным числом, равным тридцати. В те времена он получался очень сложным и громоздким. К тому же изготовить такой механизм могли только немецкие заводы, а авторы проекта ставили целью все компоненты заказать на советских предприятиях. Кроме того, для получения переменного тока с фиксированной частотой 50 Гц необходимо было поддерживать постоянную частоту вращения. Эти проблемы были разрешены очень смело и изящно. Винт приводит в действие мощные насосы, которые гонят рабочую жидкость (масло) под давлением 37 атмосфер на колесо Пельтона. Гидротурбина находится на одном валу с электрогенератором. Собранная после неё рабочая жидкость снова возвращается к насосам.
Хотя советские конструкторы разрешили затруднения с трансмиссией, здесь они не предвосхитили магистрального пути ветроэнергетики. Системы с гидравлическим редуктором впоследствии действительно разрабатывались и строились, но с целями облегчить башню и упростить обслуживание, опустив электрогенератор на землю. Наша газета рассказывала об этом в 2019 году. В Японии были созданы опытные образцы, однако в серийное производство «гидравлические» ветряки не пошли.
Накопитель энергии
Сила ветра не постоянна даже на большой высоте. Авторы крымского проекта предполагали, что ВЭС сможет работать на полной мощности 2500 часов в году, генерируя за это время не менее 25 млн кВт·ч. Проектом предусмотрен способ аккумулирования энергии на те периоды, когда ветра нет. Мощные пласты плотного известняка, на котором строилась станция, пронизаны глубокими и обширными пещерами (результат продолжительного действия подземных вод). Изолировав часть этих пустот, можно получить резервуар для сжатого воздуха, который будет накачиваться туда за счёт избыточной энергии станции. При безветрии генераторы станции должны были приводиться в движение специальными турбинами, работающими на сжатом воздухе из этого резервуара.
Строительство ВЭС началось, но вскоре было прервано из-за смерти в 1937 году инициатора проекта - наркома тяжёлой промышленности СССР Серго Орджоникидзе. Сегодня фундамент Крымской ВЭС на горе Ай-Петри привлекает только туристов и историков, которые интересуются прорывными проектами тридцатых годов прошлого века.
