Ветроэнергетические установки (ВЭУ) — дальние родственники ветряных мельниц. Внешне ветрогенератор напоминает своих мукомольных предков, но в глаза бросается одно важное конструктивное отличие: у старинных мельниц было больше лопастей — четыре, шесть, а то и восемь. Почему же у подавляющего большинства современных ветряков их всего три и как конструкция ветрогенератора связана с олимпийским девизом «Быстрее, выше, сильнее»?
Выше
Ветроэнергетическая установка, даже небольшая, выглядит гигантом по сравнению с ветряной мельницей. ВЭУ стараются проектировать и изготавливать настолько высокими, насколько позволяет экономическая целесообразность. Чем выше, тем сильнее и устойчивее захватываемый лопастями ветер — и тем большее энергии вырабатывается.
Китайский ветряк-рекордсмен MingYang Smart Energy MySE 16–260. Фото China Three Gorges Corporation / ctg.com.cn
На сегодня высочайший и крупнейший в мире ветрогенератор установлен в Тайваньском проливе в Китае. Он называется MingYang Smart Energy MySE 16–260, где 16 — мощность установки в мегаваттах, 260 — диаметр вращающейся части в метрах. Сердцевина установки с машинным отделением расположена на высоте 152 метра. С учетом 123-метровой длины лопастей общая высота объекта достигает 275 метров. И это не предел: китайские специалисты трудятся над созданием установок мощностью 18 и 20 мегаватт — еще более крупных и высоких.
Средний «рост» современных ветряков гораздо меньше: обычно высота мачты достигает 70 метров, длина лопасти — 50 метров.
Сильнее
Чем сильнее ветер воздействует на установку, тем больше электроэнергии она выработает. Силу ветра нужно захватить и заставить выполнить полезную работу. Для этого предназначена лопасть, которая вращается воздушным потоком и тем самым генерирует крутящий момент. Эта физическая величина равна произведению силы на радиус вращения, то есть на длину лопасти: М = F*r.
Чем лопасти длиннее и чем их больше, тем больше общий крутящий момент. Значит, тем больше энергии ветра можно собрать и превратить в электричество. Однако количество энергии зависит не только от силы воздействия на лопасти: важна еще и скорость вращения.
Быстрее
Чем быстрее вертится ротор с лопастями, тем больше механической энергии передается генератору, тем больше сила тока и, соответственно, количество производимого электричества. При этом чем больше лопастей у ветряка и чем они длиннее, тем ротор тяжелее и тем труднее ветру его крутить.
Разработчики ветроэнергетических установок нашли сбалансированное решение — ротор с тремя лопастями. Двухлопастные быстро вертятся, но создают малый крутящий момент, и это снижает выработку электроэнергии. Ротор с четырьмя лопастями повышает крутящий момент по сравнению с трехлопастным, но ненамного, при этом замедляет вращение — и показатели работы установки не улучшаются.
«Проектируя ветрогенератор, инженеры оперируют многими конструкционными параметрами: длиной лопастей, углом их наклона, формой, материалом и другими. При этом учитывают климатические особенности региона — в первую очередь, ветровые потоки и силу ветра. Всегда имеются ограничения по высоте мачты, мощности установки, размерам лопастей и другим факторам», — Андрей Бритвин, эксперт по технологическому развитию в сфере энергетики «Газпром нефти».
Вот одно из ограничений, которое, на первый взгляд, кажется парадоксальным: ВЭУ нужно обязательно защищать от… ветра. Если он слишком сильный, то может опрокинуть установку: его давление пропорционально площади ометаемой поверхности — площади круга, который описывают лопасти ветряка при вращении. Поэтому при слишком сильных порывах ветряк нужно остановить. Тогда давление ветра снижается в десятки раз, поскольку он воздействует на поверхность, равную сумме площади лопастей, — это гораздо меньше, чем площадь описываемого круга.
Пороговой величиной, на которую рассчитывают ВЭУ, стала скорость ветра 25 метров в секунду. По шкале Бофорта это 10 баллов со статусом «сильный шторм». Выше него только «жестокий шторм» (11 баллов, 26–32 метра в секунду) и «ураган» (12 баллов, 33 и более метров в секунду). При достижении скорости ветра 25 метров в секунду у ветрогенератора срабатывает автоматическая система буревой защиты — и вращение лопастей блокируется.
