1.8. Ветрогирлянды — альтернатива лопастям большого диаметра

Гиганты или карлики

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 (http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

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.

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 м.

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

 Примечание.

Поэтому 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.

Самое элементарное суммирование достигается закреплением роторов на одном и том же валу.

 Примечание.

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 http://www.selsam.com).

Чрезвычайно удачной в плане конструктивной простоты является гирлянда ортогональных роторов, закрепленных на тросе-приводе (рис. 1.19). Такое решение неплохо зарекомендовало себя и в гидроэнергетике. Очень заманчиво использовать подобную схему и для преобразования энергии ветра.

Идея ветрогирлянд занимала умы изобретателей и раньше. Пришло время вновь обратить на нее пристальное внимание.

Рис. 1.19. Гирлянда ортогональных роторов, закрепленных на тросе-приводе

Ветрогирлянда в кустарно-огородном исполнении

Самую примитивную и дешевую ветрогирлянду легко собрать на даче, — лишь бы было к чему ее подвесить. Пусть это будет дерево приличной высоты или прочный шест с телеантенной на крыше дома (П. Колосов, http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

Исходные материалы для классического ротора Савониуса (рис. 1.20): металлический трос толщиной 2–3 мм (10–15 руб. за метр), пластиковая труба для канализации диаметром 110 мм (90 руб. за метр), лист оцинкованного железа ДЛЯ горизонтальных площадок, разделяющих соседние роторы.

Рис. 1.20. Принцип построения ротора Савониуса:

_{а — двухлопастный; б — четырехлопастный} 

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 20 мм 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 этот прибор 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 рис. 1.21.

Рис. 1.21. Принцип построения лопасти

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.

 Совет.

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 500–550 руб.

С учетом того, что при среднегодовой скорости ветра 5 м/с и качественном электрогенераторе с квадратного метра удастся получить в лучшем случае 12–13 Вт, 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 0,55 мм стоит 200 руб. за м²), и не в форме полусфер, а с оптимизированным профилем, то можно получить уже 20–22 Вт при стоимости гирлянды 320–330 руб. за квадратный метр ометаемой площади.

 Совет.

Лучше сделать диаметр больше, например, 40–50 см. 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 каркаснотепличному дизайну. Конструкций «завитых» Савониусов в сети предостаточно, попробуем сделать гирлянду, примерно как на фотографии с сайта www.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 (рис. 1.22) из алюминиевой полосы 2x12 мм по розничной цене 25 руб. 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 (П. Колосов, http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

Рис. 1.22. Принцип создания каркаса

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.

 Совет.

Чтобы 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 6,5–7 м полосы или 85 руб.

Каркас для ометаемой площади в 1 м² (при диаметре 44 см это 2,27 погонных метра) обойдется в 200 руб. Цена обычной 100 мкм пленки 8–9 рублей за м². Итого: 210–215 руб. 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. Пусть будет 225 руб. С армированной пленкой, — 240 руб. С алюминиевой 100 мкм фольгой, используемой при теплоизоляции бань, — 270 руб.

Можно также использовать недорогую парусную ткань или любой другой подходящий материал. При всей своей недолговечности полиэтиленовая 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 1x10 мм (19 руб. 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 (П. Колосов, http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

По себестоимости материала это выйдет в 150–200 руб. за квадратный метр 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 (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Модернизация ротора Савониуса

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 (рис. 1.24) диаметром 33 см, 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.

Рис. 1.24. Строенная установка из трех гирлянд

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.

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 Вт электроэнергии. Для производства одного киловатта понадобится 50 м², или сто погонных метров при диаметре 50 см.

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 м имеет площадь 20 м², 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 с 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.

 Примечание.

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.

 Внимание.

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 Вт, 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:

♦ во-первых, система несущих тросов должна быть опускаемой;

♦ во-вторых, нижний край гирлянд также лучше закреплять на несущих тросах, растянутых на достаточном расстоянии от земли.

 Совет.

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 утлы 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 средний ветер составляет 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.

 Примечание.

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. 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 ветроэлектростанции 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 (http://www.membrana.ru/articles/technic/2006/08/30/133800.html) 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 (www.energy2006.net/presentations/Becker_3A.pdf):

♦ подЛЭП;

♦ на опорах контактной сети железной дороги 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.