Вначале об общей ситуации. Россия обладает самым большим в мире потенциалом энергии ветра [1] (что вполне естественно для территории площадью более 17 млн к м²). В нашей стране к 2030 году запланирован запуск 15 ветроэнергетических станций с суммарной мощностью 4,5 ГВт [2]. Однако это капля в море. Китай ежегодно устанавливает более 20 ГВт новых ветроэнергетических мощностей, а в Германии, Индии и США ежегодный прирост мощностей составляет от 2 до 6 ГВт. Несмотря на явное отставание от мировых лидеров, в странах бывшего СССР планируется строительство всех ветропарков на основе типичных ветрогенераторов — закреплённых в гондолах на высоких башнях гигантских пропеллеров. Эти исполины давно вторглись в загородные пейзажи стран Запада. Они всесторонне изучены, но уже исчерпали потенциал развития. Такие ветрогенераторы имеют срок окупаемости более 25 лет. Их явную нерентабельность компенсируют правительственные дотации.

Такую политику можно понять в странах Европейского союза, где почти нет ни своей нефти, ни газа. Но когда технологии пропеллерных ветряков приобретаются у нас в стране за бюджетные десятки миллиардов рублей, это понять невозможно. И всё это при том, что тепловые и атомные электростанции России генерируют энергию с избытком, и не надо ждать 20–30 лет, пока ветряки «отобьют» затраченные на их покупку и строительство деньги. Но мы будем рассматривать не социально-криминальные, а инженерные аспекты. Наивно полагать, что одна или даже миллион статей заставят заинтересованных лиц сделать себе харакири.

Итак, взглянем на перспективы ветроэнергетики чисто технически. Во всём мире признано, что перспективны генераторы иного рода — вертикально-осевые ветротурбины (Vertical Axis Wind Turbine, VAWT). Они требуют меньших капитальных затрат, значительно проще устроены и дешевле в обслуживании. Такие ветрогенераторы без проблем могут устанавливаться в черте жилой застройки (в том числе на крышах зданий) ввиду малошумности и устойчивости к сильным порывам ветра с частым изменением направления [3]. Постсоветские страны смогут сократить отставание в области ветроэнергетики, если перестанут покупать устаревшие технологии в своекорыстных целях чиновников, и начнут разрабатывать собственные перспективные технологии на основе VAWT.

В качестве «минуса» VAWT апологеты горизонтально-осевых ветряков называют их относительно небольшую эффективность. Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) составляет у современных коммерческих VAWT примерно треть от энергии ветра в створе ротора. В то время как горизонтально-осевые ветрогенераторы якобы имеют эффективность на 10% выше. Так ли всё плохо для VAWT на самом деле? Как мы увидим далее, вполне возможно достичь бóльшей эффективности, чем для пропеллерных установок, с сохранением всех прочих преимуществ.

Ниже вскрыты неочевидные (в отличие от явной ориентированности чиновников на откаты) причины, тормозящие использование таких ветрогенераторов. Эти турбины загнаны сегодня в некое прокрустово ложе. Хотя в целом здесь имеется непаханое поле для развития, в качестве примера рассмотрена перспективная новая конструкция.

Анализ десятков профильных публикаций показывает, что заслуживающими внимания признаются только вертикально-осевые ветротурбины одного типа — с ротором Дарье [4]. Объективного наблюдателя не может не удивлять то, что помимо них (фото 1) рассматриваются лишь «геликоидальные роторы Горлова», многолопастные установки (карусельного типа), а также заведомо худшие роторы Савониуса (фото 2). Сведение всего многообразия VAWT только к четвёрке типов так же странно, как если бы в научных трудах не рассматривали никаких иных напитков, кроме вина, браги и пива, а возможность существования текилы, рома и виски не допускали в принципе. Но странности на этом не заканчиваются. Ещё при жизни французского авиаконструктора второго эшелона Жоржа Дарье (George Darrieus, 1888–1979) появились атомные ледоколы, межпланетные станции и сверхзвуковые пассажирские лайнеры. Затем был расшифрован геном человека и поставлен на вооружение боевой лазер. Но и сегодня нечто необъяснимое заставляет в области вертикально-осевых турбин исследовать только схемы Дарье — своего рода архаичные «монгольфьеры» в ряду других средств полёта. Не та ли слепота, которая мешала в ХIХ веке признать перспективы летательных аппаратов тяжелее воздуха?

Так ли уж «прозрачен» ветер, или Какие ветряки действительно лучшие?. 5/2019. Фото 1

Казалось бы, что может быть проще, чем провести сравнительные испытания VAWT всех типов, но одного и того же размера и при одной и той же скорости ветра, с прямыми замерами всех характеристик. Ведь уже более века проводятся соревнования по авиамоделизму. Молодые авиаконструкторы Туполев и Яковлев тоже участвовали в этих соревнованиях, где победителей определяли преимущества конкретных конструкций, а не многоэтажные математические формулы, описывающие «сферических коней в вакууме». По непонятным причинам по отношению к VAWT этого не происходило. В качестве «священной коровы» выбрали ротор Дарье, приведя в его пользу доводы в духе средневековых схоластов, которые пытались доказать либо опровергнуть «наличие глаз у крота» без осмотра этого животного*. Вне всякого сомнения, реальную пользу способны принести только состязания действующих моделей ветряков, в которых победят лучшие изделия, а не степень титулованности экспертов.

Сказанное выше вскрывает два широко распространённых заблуждения:

1. Энергетические возможности вертикально-осевых турбин якобы ограничены тем пределом, который установлен теорией для пропеллерных ветряных генераторов (КИЭВ составляет 0,593 от энергии ветра в створе ротора).

Однако это утверждение (расхожее в научно-популярной литературе и до сих пор бытующее в учебниках типа «понемногу обо всём») не только поверхностно, но и ложно. По данным д.т.н., профессора Д. Н. Горелова, для VAWT вполне достижим коэффициент 0,72 [5].

Лопасти VAWT обтекает пульсирующий поток, аналогичный тому, что создаёт летящая птица. Как известно, эффективность машущего крыла весьма высока, что уже не один миллион лет демонстрируют перелётные птицы. Теория же идеального пропеллера создана для стационарного воздушного потока и не имеет реального отношения к характеру обтекания воздухом роторов VAWT.

2. Ротор Дарье якобы является наиболее эффективным среди всех возможных вертикально-осевых ветротурбин.

На самом деле это далеко не так (и не только из-за присущих ему проблем с самозапуском**). До сих пор общей теории VAWT нет — точно так же, как и единой теории поля в физике. Отсутствие общей теории не только не позволяет определить предельное значение эффективности VAWT, но и описать оптимальную схему одного отдельно взятого их типа, например, турбины Дарье. В книге [5] это хорошо описано.

Таким образом, нет оснований зацикливаться как на ветрогенераторах пропеллерного типа, так и на совершенствовании только лишь турбин Дарье (этот процесс последние 20 лет топчется на месте). Следует искать и развивать новые подходы и конструкции VAWT.

Исходя из этих соображений, автор статьи разработал вертикально-осевую ветротурбину новой архитектуры. В ней использован принцип природного явления — смерча, являющегося ещё более древним и совершенным в энергетическом плане механизмом, чем машущее крыло. Турбина рассматриваемой системы превращает поток ветра в восходящий вихрь, который «наматывается» на многолопастный ротор подобно кокону. Лопасти мешают прохождению воздуха напрямую, он спирально обтекает полость ротора, трением передавая ему свою энергию. Поток взаимодействует не только с этими лопастями, но и со связанными с ротором наклонными антикрыльями. С верхом лопастей соединена горизонтальная крыльчатка. Она также взаимодействует с восходящим вихрем. Таким образом, впервые реализована возможность увеличения обтекаемой ветром площади ротора без увеличения его габаритов. Поскольку работает не только внешняя поверхность ротора и не только с наветренной стороны.

В 2016 году под руководством автора в городе Астана (Республика Казахстан) были изготовлены две действующие модели таких турбин в масштабе 1:10. Высота вертикальных лопастей и поперечные габариты роторов равнялись 800 мм. Все упомянутые выше элементы ротора имели аэродинамический профиль. Обе модели имели горизонтальные крыльчатки с девятью лопастями, каждая из которых была связана с одной из вертикальных лопастей ротора и с центральной мачтой, вращавшейся совместно со всей конструкцией. Первая модель (фото 3) имела девять антикрыльев, вторая (фото 4) — 18. При скорости ветра 11 м/с вторая турбина развила мощность 220 Вт и имела на холостом ходу частоту вращения около 80 мин-1. Обе турбины работали в приземном пограничном слое, стоя на канцелярском столе. Это не помешало им достичь значений КИЭВ 0,42 и 0,48, соответственно, что не уступает горизонтально-осевым турбинам, вынесенным за пределы зоны турбулентности посредством монтажа на высокие мачты.

Так ли уж «прозрачен» ветер, или Какие ветряки действительно лучшие?. 5/2019. Фото 2

Сопоставимую мощность (300 Вт) развивает распространённый на рынке китайский вертикальный ветряк, установленный на шестиметровой мачте. Он имеет пять 1200-миллиметровых лопастей, установленных на габаритном диаметре 2000 мм. То есть, если принять обтекаемые ветром площади сравниваемых ветряков равными, то получится, что прототип энергоэффективнее известного ветряка более чем вдвое (с учётом того, что у земли ветер слабее из-за близости к граничной поверхности и имеет выраженный турбулентный характер).

Отсюда, зная, что описанный аналог имеет коэффициент использования энергии ветра, равный 0,2, можно оценить КИЭВ прототипа как 0,48, что намного выше, чем у VAWT типа «Савониус» и «Дарье», и соответствует наилучшим мировым образцам горизонтально-осевых ветрогенераторов [6]. При этом себестоимость прототипа значительно ниже, чем у пропеллерных ветряков, имеющих механизм ориентации на ветер и дорогой планетарный редуктор. Соответственно, ниже и срок окупаемости. Новые турбины также не имеют проблем с самозапуском, присущим турбинам Дарье.

Автор не претендует на то, что его конструкция является наиболее совершенной. Алгоритма конструирования таких турбин нет, модели создавались на основе интуитивного инженерного подхода и поэтому пока не оптимальны.

Выводы

1. В ветроэнергетике, как и в остальной технике, решающую роль должна играть истинная ценность оборудования, а не ангажированность экспертов, отстаивающих незаменимость ветряков пропеллерного типа и не желающих замечать ничего иного, кроме исчерпавших потенциал совершенствования турбин Дарье. Сведение всего многообразия вертикальных турбин только к нескольким давно известным типам является одним из симптомом неблагополучия научного сообщества, представителям которого комфортно живётся за стеной догматического знания, поскольку даже отрицательный результат в сложившейся системе будет оплачен.

2. Истинную ценность того или иного типа ветрогенераторов должны определять прямые замеры их характеристик, а также прозрачные и корректные критерии эффективности по соотношению «цена/качество», озвученные заранее, перед сравнительными испытаниями турбин разных типов.

3. Разработана и испытана принципиально новая ветряная турбина повышенной эффективности. Приоритет новой ветротурбины на сегодня защищён патентными заявками. Подготовлены и значительные усовершенствования, выходящие за рамки данной статьи и дающие решающие преимущества перед попытками пиратского воспроизведения новой турбины на основе открытых публикаций. Требуются инвестиции для коммерциализации перспективной VAWT принципиально нового типа. Инженерные компетенции, необходимые для этого, имеются в нужном объёме.

4. Потенциальные потребители для этой турбины. Она будет применяться в местах отсутствия линий электропередач (в малонаселённых и труднодоступных районах в любых погодных условиях, вплоть до штормовых и ураганных) в качестве основного и/или резервного источника электроснабжения: объекты спецназначения (арктическая группировка ВС РФ, насосные станции магистральных нефтепроводов, вышки мобильной связи, маяки, метеорологические посты, в том числе в Арктике); станции зарядки электромобилей; объекты сельского хозяйства (теплицы, животноводческие фермы и перерабатывающие производства); туристические, рыболовные и охотничьих базы, заповедники и национальные парки; мобильные генерирующие станции на базе автоприцепов и плавсредств.

Следует особо подчеркнуть, что турбина имеет узнаваемый оригинальный вид, что позволяет использовать её нетрадиционно, например, как декоративный элемент крыш зданий и малую архитектурную форму — рекламный носитель (на лопасти ротора наносятся рекламные символы — эмблемы брендов, компаний и спортивных клубов).

---

* Несколько веков назад сошлись в споре на тему «Есть ли у крота глаза?» средневековые философы — Фома Аквинский и Альбрехт Великий. Диспут услышал местный садовник (дело происходило в кампусе Парижского университета): «За чем дело стало? Я мигом доставлю настоящего крота, вы и увидите…». «Ни в коем случае, — возразили схоласты, — мы спорим в принципе, есть ли у крота глаза?» Источник: Сухотин А. К. Парадоксы науки. — М.: Изд-во «Молодая гвардия», 1978.

** Обдув ветром неподвижного ротора Дарье вызывает недостаточный вращающий момент, и при медленном вращении энергия ротора за один его оборот обычно понижается до нуля (см. renewable.com.ua).