Оборудование > Подбор и расчет систем на солнечных батареях > Выбор ветряных двигателей

Живая природа сотни миллионов лет использует энергию ветра (вспомните хотя бы семена одуванчика и многих других растений — их распространяет именно ветер). И в техническом плане энергию ветра человек стал использовать с глубокой древности — простейший парус появился ещё в доисторические времена, раньше, чем возникла письменность. Однако до сих пор ветер остаётся одним из самых популярных источников даровой энергии. За пределами закрытых помещений он есть практически везде, однако весьма непостоянен и непредсказуем — как по силе и скорости, так и по направлению. Именно это и обусловило отказ от массового использования этого дарового источника энергии даже в такой его традиционной вотчине, как мореплавание.

Оценка энергетического потенциала ветра
Классификация ветряных двигателей
Линейные ветряные двигатели
Циклические ветряные двигатели
Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения
Быстроходные
Тихоходные
Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения
Размещение ветряных двигателей
Высота установки
Экранирование и направление потоков
Вертикальные препятствия
Горизонтальные препятствия
Размещение нескольких ветроустановок
Размещение нескольких ветроколёс в вертикальной плоскости
Размещение нескольких ветроколёс в горизонтальной плоскости
Безопасность при использовании ветродвигателей

Оценка энергетического потенциала ветра

Прежде всего попробуем определиться, стоит ли игра свеч, то есть каков энергетический потенциал ветровой энергии? Для России усреднённую скорость ветра принято считать равной 2 .. 3 м/с — величина, прямо скажем, достаточно малая (субъективно ощущается как слабое дуновение), но это примерно то же, что и «средняя температура по больнице», — на горных перевалах и на побережьях «средний» ветер, конечно, гораздо сильнее, а под пологом леса в часы рассвета и заката воздух очень часто вообще практически не движется. Вот распределение средней скорости ветра по месяцам для нескольких городов (м/с):

Как видим, за исключением океанских побережий (Владивосток и Мурманск), картина достаточно ровная, а самый слабый ветер — в приморском Сочи (очевидно, благодаря Большому Кавказскому хребту). Даже в Санкт-Петербурге, несмотря на его погодную репутацию, среднегодовая скорость ветра равна московской (2.3 м/с). Данные метеонаблюдений за несколько последних десятилетий для многих городов России можно попытаться узнать здесь.

Анализируя таблицу, можно заметить одну особенность ветра, характерную для большей части территории России, — как правило, зимой ветры заметно сильнее, чем летом. Это очень хорошо соответствует энергопотребностям домохозяйства, — как раз в холодное время года на отопление требуется дополнительная энергия. Вопрос в том, хватит ли для этого энергии ветра в принципе?

Итак, какую же энергию может нести воздух, движущийся со скоростью 2.5 м/с? В соответствии с формулой для кинетической энергии при плотности воздуха 1.29 кг/м3 с каждого квадратного метра поперечного сечения такого потока теоретически можно снимать мощность, составляющую аж целых 8 Вт. Кажется, что это почти ничего! Однако давайте посчитаем. Площадь, омахиваемая ветроколесом диаметром 6 м, составляет порядка 28 м2, и с такой площади при тех же условиях можно собирать более 200 Вт(изготовление надёжного ветроколеса даже такого размера в частном порядке, то есть в кустарных условиях, будет достаточно проблематичным, а для бóльших диаметров обойтись без использования заводского оборудования и грузоподъёмной техники вряд ли удастся). 200 Вт на несколько лампочек уже хватит (на 2-3 обычных лампочки накаливания, способных осветить дачный домик или летнюю кухню, либо 10 эквивалентных им по силе света 20-ваттных энергосберегающих или люминесцентных ламп, которыми уже можно осветить коттедж средних размеров). И это при слабом дуновении! А даже небольшое возрастание скорости ветра резко повышает выработку энергии. Теоретически эта зависимость имеет кубический характер, поскольку возрастание скорости не только в квадратичной зависимости увеличивает кинетическую энергию единицы массы, но и вдобавок в линейной зависимости увеличивает объём воздуха, проходящий через выбранное сечение за единицу времени, т.е. саму перемещаемую массу. Например, при увеличении скорости всего на 40% — до 3.5 м/с (соответствует оценке усреднённой скорости ветра для Украины, составляющей 3 .. 4 м/с) — мощность воздушного потока возрастает почти в три раза, и с нашего идеального ветряка уже можно получать более полукиловатта. А при 10 м/с (36 км/ч или почти 20 узлов, — это весьма свежий, но на открытых пространствах совсем нередкий ветер) с каждого квадратного метра сечения воздушного потока при полном использовании его кинетической энергии можно снимать более киловатта мощности, а с упомянутого выше идеального ветроколеса — примерно 30 кВт!

Конечно, в реальном мире не удастся отобрать у воздушного потока абсолютно всю его энергию, однако приведённые выше оценки показывают, что во многих местах, где ветры сильнее средних, даже при коэффициенте использования энергии ветра(КИЭВ), равном 20..25%, использование ветроустановок вполне целесообразно (КИЭВ показывает долю энергии воздушного потока, отобранную ветроустановкой, т.е. это КПД ветродвигателя).

Классификация ветряных двигателей

Ветряные двигатели можно разделить на два больших класса — линейные (мобильные) и циклические (стационарные).

Линейные ветряные двигатели

К линейным ветряным двигателям относятся классические паруса и крылья (скажем, крыло воздушного змея). Их можно использовать только для приведения в движение транспортных средств, поскольку работу они могут совершать лишь при перемещении в пространстве. Причём без перенастройки это перемещение всегда будет линейным — по направлению ветра или под некоторым углом к нему. А так как их конструкция достаточно жёсткая и обычно допускает лишь довольно ограниченные возможности настройки, то и перемещаться они могут только вместе с тем объектом, на котором они установлены или частью которого они являются. (Вы когда-нибудь видели мачту с парусами, перемещающуюся по кораблю? Это нонсенс! Мачта и паруса всегда перемещается вместе с судном, частью которого они являются.) Установленные стационарно, скажем, будучи вкопаны в зёмлю, такие устройства, безусловно, тоже будут испытывать воздействие ветра, однако они не совершат работы, поскольку останутся на месте. В силу таких особенностей их ещё можно назвать мобильными ветряными двигателями.

К сожалению, эти черты традиционно ограничивают область использования данного класса ветряных двигателей мореплаванием (обширные пространства, где ничто не препятствует ветру и есть свобода для маневров) и спортивно-развлекательными применениями (помимо парусного спорта, это также парапланы и воздушные змеи).

Зачастую эти устройства вообще относят не к двигателям (тому, что преобразует необходимую для движения энергию в механическую форму), а к движителям (тому, что трансформирует полученную механическую энергию в собственно движение перемещаемого объекта). Но я считаю, что в данном случае эти устройства совмещают обе функции — извлекают энергию ветра и приводят в движение объект, на котором они установлены.

Циклические ветряные двигатели

Циклические ветряные двигатели могут производить полезную работу стационарно, оставаясь на одном месте. Движутся только их рабочие элементы, которые под действием потока воздуха перемещаются по замкнутой траектории, совершая циклические движения. Именно этот класс ветряных двигателей заслуживает рассмотрения в первую очередь, поскольку может использоваться не только (и не столько!) для перемещения транспортных средств, получая именно механическую форму энергии, но и для непосредственной выработки наиболее универсального и удобного для использования вида энергии — электричества. К этому классу ветродвигателей относятся различные ветроколёса — начиная от крыльев классической ветряной мельницы и кончая современными роторными конструкциями с вертикальной осью.

В свою очередь, ветроколёса можно разделить на устройства с горизонтальной и вертикальной осью вращения, быстроходные и тихоходные. Они существенно различаются по своей конструкции и эффективности использования энергии ветра.

Виды циклических ветряных двигателей: 1 — быстроходный с горизонтальной осью вращения, 2 — тихоходный с горизонтальной осью вращения, 3 — с вертикальной осью вращения чашечного типа (обычно используется в анемометрах), 4 — с вертикальной осью вращения роторного типа.

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения, как правило, имеют постоянную ориентацию рабочих поверхностей относительно потока воздуха и могут собирать энергию ветра со всей площади, ограниченной траекторией вращения элементов. Снижение эффективности отбора энергии ближе к оси вращения из-за уменьшения линейной скорости перемещения элементов может быть скомпенсировано изменением угла наклона рабочей поверхности элемента к потоку воздуха по сравнению с более дальними участками элементов, где линейные скорости выше.

Однако у этой схемы имеются и недостатки.

Во-первых, для эффективной работы ось вращения должна быть сориентирована точно по направлению потока воздуха. Поэтому рабочее колесо не только должно постоянно вращаться в вертикальной плоскости, но и иногда (при смене направления ветра) поворачиваться в горизонтальной плоскости. Наличие двух осей вращения усложняет конструкцию и снижает её надёжность, — а ведь ветряк должен выдерживать не только рабочие усилия, но и экстремальные нагрузки при штормовых порывах ветра!

Во-вторых, при размещении нескольких подобных устройств в одной плоскости полностью использовать весь воздушный поток не удастся — примерно четверть его попадает на промежутки между областями, омахиваемыми элементами колёс, и проходит впустую.

Кстати, обратите внимание на то, что на рисунке двигатели с горизонтальной осью показаны без «оперения», ориентирующего их по ветру. Это не случайность. В современных конструкциях ориентация нередко осуществляется за счёт ветрового сопротивления самого колеса, которое размещается не с наветренной, а с подветренной стороны относительно вертикальной оси. На рисунке это соответствует ветру, дующему справа налево.

Наиболее эффективными часто считают быстроходные горизонтальные двигатели — с малым числом узких лопастей, профиль которых близок к профилю лопастей самолётного пропеллера. Однако их эффективность в полной мере проявляется лишь при высоких скоростях воздушного потока — от 10-15 м/с и выше. Благодаря относительно небольшой площади лопастей они не слишком чувствительны к сильным порывам ветра, однако по той же причине в принципе не могут собрать всю энергию ветра, проходящего через омахиваемую лопастями площадь — частички воздуха, попадающие в огромные промежутки между лопастями, не взаимодействуют с ними, и их энергия не используется напрямую (максимум, что можно от них получить — это косвенное влияние, заключающееся в том, что своим присутствием они не дают разлетаться в стороны непосредственно взаимодействующим с лопастями молекулам воздуха так быстро, как это произошло бы в вакууме). Самыми эффективными по соотношению «цена / производительность» считаются трёхлопастные колёса, но и двухлопастные уступают им не слишком сильно. У лучших конструкций промышленного изготовления КИЭВ может достигать 25..30%. Казалось бы, этого не может быть — ведь отношение площади лопастей к площади омахиваемой ими окружности намного меньше, — но тут дело заключается в сложном взаимодействии лопасти с воздушным потоком, в конце концов сводящемся к упомянутому выше косвенному влиянию удалённых от лопасти областей потока. Для обеспечения такого взаимодействия необходим тщательно рассчитанный и не менее тщательно изготовленный профиль лопасти, поэтому для любительских конструкций этого типа, в которых лопасти изготавливаются по лекалам в кустарных условиях, весьма неплохим результатом считается достижение КИЭВ хотя бы в 15..20%. Другим необходимым условием подобного взаимодействия является достаточно узкий рабочий диапазон соотношений скорости вращения лопастей и скорости набегающего потока.

В реальной эксплуатации все эти особенности приводят к тому, что при слабом ветре подобные ветроколёса практически не взаимодействуют с воздушным потоком и, соответственно, стоят на месте. Кроме того, даже при достижении ветром номинальной скорости запуск колеса затруднён, поскольку оно ещё не вращается и не выполняется оптимальное соотношение скоростей ветра и лопасти. В связи с этим практически обязательным элементом таких ветроустановок являются устройства, обеспечивающие отключение нагрузки (генератора) от вала ветроколеса в момент запуска вплоть до достижения колесом определённой скорости вращения. Иногда их даже оснащают специальным мотором-стартёром для начальной раскрутки ветроколеса!

Аналогичная ситуация возникает и при кратковременных ослаблениях ветра или при замедлении вращения вала вследствии возрастания нагрузки — соотношение скоростей лопасти и воздуха становится неоптимальным, происходит срыв потока с лопасти, КИЭВ падает в разы, и колесо, даже если не остановится окончательно, будет работать в совершенно неэффективном режиме. Так что и здесь необходимо снимать нагрузку с вала, чтобы дать колесу вновь набрать скорость и вернуться в рабочий режим. Наконец, срыв потока с лопастей может произойти не только при ослаблении, но и при слишком резком усилении ветра, хотя в этом случае подобное явление может быть благом, поскольку не позволит колесу разогнаться слишком быстро. В общем, на мой взгляд, использование подобных ветроколёс оправдано лишь тех в местах, где почти всегда дует сильный ровный ветер. При кратковременных порывах, даже достаточно крепких, заметную часть времени им придётся «ловить режим» с отключённой нагрузкой.

Типичные значения скорости ветра, характерные для современного быстроходного ветрогенератора, следующие:

скорость страгивания (начала вращения ротора) — 2.5 .. 3 м/с;

скорость начала выработки электроэнергии — 3 .. 3.5 м/с;

оптимальная скорость (максимум вырабатываемой мощности) — 10 .. 12 м/с;

допустимая предельная скорость — 50 .. 70 м/с;

при превышении оптимальной скорости выработка энергии стабилизируется и даже может падать из-за срабатывания системы защиты от ветровой перегрузки.

Типичные характеристики мгновенной и среднемесячной выработки энергии быстроходным ветрогенератором с горизонтальной осью вращения (в данном случае номинальная мощность 3 кВт при двух лопастях с общим размахом 4.6 м).
Источник: http://manblan.ru/ru/2010-06-09-21-40-06/item/71-whisper-500.html.

Из приведённых диаграмм видно, что при номинальной мощности 3 кВт для среднероссийской скорости ветра 2.5 м/с выработка энергии за месяц составит примерно 50 кВт·ч, а для среднеукраинских 3.5 м/с — 150 кВт·ч. Можете сравнить эти цифры с тем количеством электроэнергии, которое Вы оплачиваете каждый месяц. На мой взгляд, это очень мало, и подобный расход приемлем лишь в ситуации весьма жёсткой экономии (не самый большой кухонный холодильник при активном использовании потребляет за месяц более 50 кВт·ч). Зато при возрастании средней скорости ещё в 1.5 раза — всего лишь до 5.4 м/с — в полном соответствии с кубической зависимостью месячная выработка такого ветрогенератора увеличивается более чем втрое — свыше 500 кВт·ч, — а этого уже не только хватает для всех обычных бытовых и хозяйственных нужд, но и позволяет время от времени воспользоваться не слишком мощным электронагревателем. Так что в Мурманске и Владивостоке этот генератор будет оправдан, а в Москве и Сочи пользы от него мало.

Ещё одна неприятная особенность быстроходных ветроколёс заключается в том, что тангенциальная скорость концов их лопастей может во много раз превышать скорость ветра и составлять десятки метров в секунду (прежде всего это касается ветроколёс большого диаметра). В результате даже при не очень сильном ветре их работа может сопровождаться значительным аэродинамическим шумом, воем и свистом. Вряд ли кого обрадует постоянный шум или вой, подобный звуку падающей авиабомбы из старых кинофильмов! Но хозяин ветряка при этом хотя бы получает энергию. А как будут рады соседи, которым кроме мерзкого звука не достанется ничего? Конечно, в современных ветряках заводского изготовления приняты специальные меры, чтобы снизить их уровень шума, поэтому они могут работать значительно тише, чем более ранние конструкции, но всё же забывать о проблеме шума не стоит.

Заканчивая обзор быстроходных ветродвигателей, следует отметить, что увеличение количества лопастей снижает отдачу с каждой лопасти, но повышает общую отдачу ветроколеса и стабильность его взаимодействия с ветровым потоком. Почему не идут этим путём? Это экономически не выгодно. Необходимость высокой точности изготовления лопастей быстроходных ветроколёс делает их весьма дорогими, и потому добавление каждой лопасти заметно увеличивает стоимость установки, в то время как её эффективность растёт не столь быстро. Когда площадь лопастей начинает составлять значительную часть омахиваемой ими области, такое колесо по сути переходит в разряд тихоходных, а там к лопастям предъявляются несколько иные, не столь жёсткие требования.

Тихоходные горизонтальные двигатели традиционно считаются менее эффективными, но при слабых ветрах их эффективность заметно выше, чем у быстроходных, поскольку площадь лопастей перекрывает если не всю омахиваемую ими окружность, то бóльшую её часть. В результате степень их взаимодействия с воздушным потоком довольно мало зависит как от его скорости, так и от отклонения профиля лопастей от идеала, и нет большой надобности в устройствах отключения нагрузки при запуске колеса, или при резком изменении силы ветра, или при возрастании усилия на валу. Да и погрешности профиля при изготовлении лопастей здесь влияют на эффективность меньше, чем у быстроходных вариантов. Более того, в отличии от быстроходных ветродвигателей, в тихоходных конструкциях с большой площадью лопастей уменьшение скорости вращения при возрастании нагрузки может приводить не к срыву потока с остановкой колеса, а к увеличению отбора мощности у воздушного потока! Однако с этим связан и главный недостаток подобных конструкций — очень большая парусность, делающая их уязвимыми к сильным порывам ветра и обязательно требующая специальных защитных элементов, которые бы снимали ветровую перегрузку в подобных случаях (например, складывали лопасти или разворачивали их вдоль воздушного потока).

Ещё один плюс тихоходных колёс — это относительно малая скорость их вращения, так что тангенциальная скорость концов лопастей сравнима со скоростью ветра. Это сразу сильно снижает уровень аэродинамического шума во время работы, поэтому самодельный тихоходный ветряк может оказаться тише, чем аналогичный ему быстроходный заводского изготовления.

Здесь особое внимание я хочу обратить на парусные ветроколёса Gravio, конструкция которых хорошо продумана и является практически идеальной для самостоятельного изготовления. Они максимально эффективно отбирают энергию слабых ветров, и в то же время мягкие лопасти-паруса не позволяют колесу набрать слишком большую скорость при сильных порывах ветра, резко снижая свою эффективность. Для особо сильных и внезапных шквалов в конструкции предусмотрен специальный предохранитель-чека, при разрушении которого от ветровой перегрузки паруса-лопасти переходят в режим флага и более не воспринимают существенных ветровых нагрузок, спасая основную конструкцию от разрушения. По окончании бури это ветроколесо легко снова привести в рабочее состояние. По данным Gravio, конструкция успешно эксплуатировалась при скоростях ветра до 50 м/с (это уже ураган, места, где возможен такой ветер, ещё надо поискать; при дальнейшем усилении ветра срабатывает предохранитель). В то же время Gravio замечает, что при достаточно свежем ветре позади ветроколеса может гореть открытая свеча — это говорит о хорошей степени утилизации кинетической энергии набегающего потока воздуха. К сожалению, на данный момент я не могу сказать таких же хороших слов о рекламируемой на том же сайте «микроГЭС», позиционируемой, по сути, как гравитационно-гидравлический вечный двигатель. Все материалы о ней, приведённые на сайте, пока не дают поводов признать этот «генератор» работоспособным, а тратить время на изготовление заведомо нерабочей модели я не вижу смысла.

Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения

Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения имеют меньшую эффективность, чем с горизонтальной, поскольку у них, как правило, лишь половина сечения потока набегающего воздуха работает с пользой, попадая на область рабочего хода колеса. Другая половина колеса совершает обратный ход, когда рабочие элементы движутся против потока. Зато у таких двигателей есть преимущество, которое зачастую играет решающую роль при выборе типа ветряка — они нечувствительны к тому, с какой стороны дует ветер, поэтому имеют только одну жёстко фиксированную ось вращения. Это сразу намного упрощает конструкцию и повышает её надёжность и долговечность.

Как правило, скорость концов лопастей у ветродвигателей с вертикальной осью обычно меньше скорости ветра или лишь немного превышает её, поэтому уровень аэродинамического шума у них не слишком высок.

Кроме того, для этого типа двигателей нетрудно обеспечить прямоугольное рабочее сечение относительно горизонтального потока воздуха, и потому несколько таких двигателей могут полностью перекрыть всё сечение воздушного потока, частично компенсировав более низкую эффективность каждого из них в отдельности.

Наконец, направляя воздух с помощью специальных экранов или кожухов, можно послать практически весь поток на рабочую область колеса и защитить от нежелательного воздействия область обратного хода, чем ещё более повысить их эффективность. Конечно, тогда вновь возникает необходимость ориентации этого экрана в соответствии с направлением ветра, однако организовать это гораздо проще, поскольку направляющий экран является пассивным элементом и с него не надо снимать энергию ни в механической, ни в электрической, ни в какой-либо другой форме, а ось поворота экрана соосна с осью вращения рабочего колеса.

Размещение ветряных двигателей

Эффективность работы ветряного двигателя во многом зависит от места его установки.

Высота установки

Очевидно, что среди густой растительности, у поверхности земли и тем более в низинах ветер гораздо слабее, чем на открытых местах, возвышенностях и крышах, где мало препятствий для свободного движения воздуха. Поэтому неудивительно, что почти всегда ветряные двигатели стараются установить повыше. Однако, если стремиться поднять двигатель как можно выше, то потребуется создание и расчёт специальных конструкций, способных удержать его при штормовых порывах (конечно, этим не стоит пренебрегать никогда, но при малой высоте мачты надёжно закрепить её гораздо проще). Кроме того, на большой высоте существенно осложнится монтаж и обслуживание оборудования. В конце концов и с эстетической точки зрения высоко торчащий огромный ветряк в большинстве случаев не украшает, а портит пейзаж. Между тем, умело используя рельеф и застройку, даже вблизи от поверхности можно добиться более высокой эффективности использования энергии ветра по сравнению с простым поднятием ветродвигателя как можно выше.

Экранирование и направление потоков

Грамотное использование естественных препятствий или направление потока воздуха искусственными экранами может существенно повысить концентрацию его энергии, иногда даже в разы.

Вертикальные препятствия

Любой выступ на гладкой поверхности изменяет течение потока воздуха, создавая зоны с повышенной и пониженной скоростью движения, и соответственно, с разной потенциально извлекаемой энергией ветра. Для земной поверхности такими объектами являются в первую очередь естественные горы и холмы, а также здания и другие искусственные сооружения.

Схема обтекания элементов рельефа и сооружений в вертикальной плоскости. Плотность линий соответствует плотности воздушного потока (энергии ветра). 1 — пологий холм или насыпь, 2 — здание или обрыв. Синим обозначены струи основного потока, розовым — более слабые вихревые движения воздуха в зонах затишья.

Из рисунка видно, что любые препятствия как бы сжимают воздушный поток, и его наибольшая плотность возникает на их кромках — у вершины пологого безлесого холма или на краях крыши либо обрыва. Таким образом, препятствия служат концентраторами энергии ветра, и ветряной двигатель следует размещать именно в таких местах, а не абы где, лишь бы как можно выше!

Особое внимание следует обратить на более слабые по сравнению с основным потоком вихревые движения в зонах затишья, возникающие при обдувании препятствия с резкими гранями, прежде всего зданий. В этих зонах воздух движется гораздо слабее, чем возле кромок, и на некоторых участках может даже двигаться в направлении, противоположном основному ветру. Размеры таких зон прямо зависят от скорости ветра и конфигурации препятствия, однако всегда такое явление имеет наибольшие размеры и образуется в первую очередь с подветренной стороны (в ветровой тени), затем — в нижней части наветренной стороны и на вершине. Следует заметить, что обратное движение воздуха не захватывает кромки препятствия, поэтому самое выгодное расположение ветряка на здании с плоской крышей — не посередине крыши, а на краю. Впрочем, там есть другая проблема — на наветренной стороне набегающий поток не горизонтальный, а может иметь заметную вертикальную составляющую. Спуск потока с подветренной стороны здания обычно происходит гораздо более плавно, чем его подъём на наветренной стороне.

Если при обтекании препятствия завихрений не возникает, то говорят о ламинарном течении воздуха, что соответствует левому рисунку. В противном случае обтекание является турбулентным (вихревым), и хотя в отдельных точках там достигается более высокая концентрация энергии, эти точки могут перемещаться в пространстве в зависимости от силы ветра, и оптимальное в одном случае размещение ветряка становится неэффективным при другой скорости ветра. В то же время при ламинарном обтекании точка наибольшей концентрации энергии воздушного потока своё положение не меняет, если только не меняется направление самого потока.

По мере возрастания скорости ветра всё больше препятствий переходит из категории ламинарного обтекания в категорию турбулентного и размещение ветряка может стать не оптимальным относительно максимальной концентрации энергии ветра. Однако так ли это плохо? Ведь при штормовых порывах сила ветра и так избыточна по сравнению с нормальным режимом работы, и максимум энергии на ветряке нам тогда совсем не нужен, а вот из слабого ветра как раз надо извлекать как можно больше заключённой в нём энергии!

Горизонтальные препятствия

Концентрация воздушного потока возможна не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. Наверное, каждый человек не раз на себе испытывал ощутимый ветер на углах больших зданий, в арках или в узких проходах между домами, в то время как чуть в стороне движение воздуха было очень слабым или вообще не ощущалось. Это и есть концентрация ветра в горизонтальной плоскости.

При этом существенным условием является соотношение ширины прохода и высоты препятствия: чем выше препятствие и ýже проход, тем выше концентрация энергии. Если высота препятствия относительно невелика, то большая часть воздушного потока даже от самой поверхности «предпочтёт» обойти его сверху, а не сбоку, и концентрация ветра в горизонтальной плоскости окажется невысокой.

Другим важным фактором концентрации является сила ветра. Представим себе длинный и высокий дом с аркой посередине. При слабом ветре воздушный поток в арке испытывает не слишком большое аэродинамическое сопротивление. Поэтому туда «собирается» скоростной напор со значительной части площади фасада и скорость ветра, а значит, и концентрация его кинетической энергии там превышает те же параметры «свободного» ветра во много раз. Однако при повышении силы ветра и скорости потока аэродинамическое сопротивление в проёме арки начинает резко расти. Поэтому туда попадает всё меньшая часть ветровой энергии, приходящейся на весь фасад здания, и всё большая её часть «вытесняется» через угловые грани здания и его крышу. В результате получаем полезный «эффект подворотни», обеспечивающий там максимальную концентрацию энергии слабых ветров, а при повышении силы ветра автоматически снижающий её (здесь речь именно о степени концентрации, а не об абсолютной скорости потока — при усилении ветра она, конечно, растёт)! Впрочем, следует отметить, что при самых слабых ветрах концентрация тоже мала — она имеет выраженный максимум при определённой скорости ветра, в зависимости от параметров здания. Более подробно это обсуждается при рассмотрении аналогичного гидродинамического эффекта Трещалова.

Схема обтекания элементов рельефа и сооружений в горизонтальной плоскости. Плотность линий соответствует плотности воздушного потока (энергии ветра). 1 — препятствия с плавными контурами (холмы), 2 — препятствия с резкими гранями (здания). Синим обозначены струи основного потока, розовым — относительно слабые вихревые движения воздуха в зонах затишья.

Как и в случае с вертикальным обтеканием препятствий, движение воздуха может быть ламинарным — при слабом ветре и плавных очертаниях преграды, — и турбулентным — при высокой скорости воздуха и резких гранях препятствия.

Следует отметить, что в наиболее узком месте между препятствиями основное движение воздуха бывает вдоль одной и той же линии — по оси прохода между ними, — то есть происходит не только концентрация, но и стабилизация направления воздушного потока. Это позволяет в таких местах стационарно устанавливать высокоэффективные ветроколёса с горизонтальной осью вращения, поскольку здесь нет необходимости отслеживать ориентацию ветра — тут возможны только два направления: «туда» и «обратно». Однако за это приходится платить более слабым воздушным потоком, если ветер дует по касательной к ряду препятствий, и практически полным отсутствием движения воздуха в случае, когда даже достаточно сильный ветер дует вдоль фронта препятствий перпендикулярно проходу между ними (хотя размещение препятствий со смещением, показанное в правой части рисунка, гарантирует ветер в проходе между ними при любом его направлении, но и тут влияние направления ветра всё равно остаётся очень сильным).

Размещение нескольких ветроустановок

Обычно одно ветроколесо перекрывает и, соответственно, использует относительно небольшую часть воздушного потока, поэтому и энергии может выработать не очень много. Чтобы увеличить выработку энергии, необходимо увеличить перекрываемое сечение воздушного потока, а значит, и геометрические размеры ветроколеса. Однако эти размеры нельзя делать слишком большими хотя бы в силу предела прочности материалов. Кроме того, монтаж и обслуживание огромных лопастей тоже становится нетривиальной задачей. Но это и необязательно — ведь можно установить рядом несколько ветроустановок, в сумме перекрывающих необходимое сечение воздушного потока и дающих требуемую суммарную мощность (конечно, не в штиль, а при «среднем расчётном ветре»)!

Следует предостеречь не только от гигантизма, но и от излишней миниатюризации. На практике обычно нет смысла «дробить» ветроколёса диаметром менее 5-6 метров, и уж тем более не стоит делать несколько ветряков метрового размера вместо одного колеса диаметром 2-3 метра!

Но если всё же одним ветроколесом не обойтись, то как разместить ветроустановки таким образом, чтобы они наиболее полно перекрывали сечение воздушного потока при любом направлении ветра, в то же время не мешая друг другу и, тем более, не задевая друг друга во время работы?

Размещение нескольких ветроколёс в вертикальной плоскости

Ветроколёса с горизонтальной осью вращения, размещённые в одной плоскости, не могут полностью перекрыть всё сечение воздушного потока, поскольку каждое из них «вырезает» из него круг, а между ними остаются промежутки. Поэтому необходимо либо размещать ветроколёса в два ряда (в двух параллельных плоскостях), так, чтобы колёса одного ряда перекрывали промежутки в другом, либо использовать наиболее плотную «сотовую» упаковку в одной плоскости. В первом случае получается значительное взаимное перекрытие сечения колёсами разных рядов, что ведёт к уменьшению эффективности каждой отдельной установки. Однако в силу законов геометрии, при небольшом увеличении расстояния между колёсами в одной плоскости, взаимно перекрываемое сечение уменьшится гораздо значительнее, чем увеличатся «пустые» промежутки, и общая эффективность группы ветроколёс возрастёт. Продолжая «раздвигать» установки дальше, в конце концов мы получим второй случай, когда области вращения уже не перекрываются, и все ветроколёса можно разместить в одной плоскости. При этом «пустые» места не превышают 10% от площади сечения, а каждое колесо работает с максимальной эффективностью. Этот вариант и представляется наиболее оптимальным.

Размещение ветроколёс с горизонтальной осью вращения для перекрытия воздушного потока постоянного направления в вертикальной плоскости. Слева — одни за другими в двух плоскостях, справа — «сотовое» размещение в одной плоскости.

Размещение колёс в одной плоскости без смещения рядов относительно друг друга («по квадрату») менее эффективно, так как площадь промежутков между колёсами здесь уже приближается к 25%.

Боковое сечение роторного колеса с вертикальной осью вращения легко сделать прямоугольным, поэтому их нетрудно разместить так, чтобы полностью перекрыть всё сечение воздушного потока. Кроме того, высоту ротора, вращающегося вокруг вертикальной оси, гораздо проще увеличить, чем длину лопастей ветроколеса с горизонтальной осью, поэтому во многих случаях нет необходимости размещать несколько невысоких роторов один над другим, если можно установить один высокий. Беда только в том, что в этих конструкциях обычно работает с пользой лишь половина бокового сечения, а другая половина совершает обратный ход, и, в случае постоянного направления воздушного потока, её целесообразно прикрыть экраном для защиты от набегающего ветра, направив его на рабочую половину своего или соседнего ротора. В силу этого для ветроколёс с вертикальной осью наибольшее значение приобретает их размещение в горизонтальной плоскости.

Размещение нескольких ветроколёс в горизонтальной плоскости

Если в вертикальной плоскости движение воздуха, как правило, происходит параллельно поверхности Земли, то в горизонтальной плоскости ветер обычно может дуть с любого направления. Поэтому при установке ветряков необходимо размещать их либо в том месте, где естественные или искусственные препятствия и экраны обеспечивают движение воздуха лишь вдоль одной оси, либо таким образом, чтобы несколько установленных рядом ветряков перекрывали друг друга приблизительно в одинаковой степени при любом направлении ветра.

При этом нет большой разницы, необходима ли этим устройствам ориентация по ветру (ветродвигатели с горизонтальной осью вращения рабочего колеса) или направление ветра им безразлично (устройства с вертикальной осью вращения). Впрочем, одно различие есть: поскольку у устройств с горизонтальной осью плоскость вращения рабочего колеса обычно не совпадает с их осью поворота в горизонтальной плоскости, их «упаковка» будет менее плотной, и чем дальше плоскость колеса отстоит от оси поворота по ветру, тем больше должно быть расстояние между установками при том же диаметре рабочего колеса, иначе нельзя исключить их столкновения друг с другом при резкой смене направления ветра (скажем, перед грозой, когда порывы могут внезапно налетать с самой неожиданной стороны).

Размещение нескольких ветроколёс в горизонтальной плоскости при любом возможном направлении ветра. Круги обозначают область вращения ротора колёс с вертикальной осью или область, перекрываемую при повороте по ветру установок с горизонтальной осью вращения рабочего колеса. 1 — группа из трёх двигателей, 2 — группа из 7 (или 6) двигателей, 3 — размещение большого количества двигателей.

Как и в случае с вертикальной плоскостью, здесь наиболее эффективно сотовое размещение двигателей, при малом их количестве требующее как минимум 3 или 6—7 двигателей. Однако, когда количество установок возрастает, центр площадки следует оставлять пустым, поскольку размещённые там двигатели будут прикрыты от набегающего ветра своими крайними «собратьями» и эффективность их будет низкой. Наоборот, достаточно большое пустое пространство в центре позволит ветру вновь набрать силу, и эффективность задней границы большой группы двигателей станет близкой к эффективности её передней границы. Поэтому нет смысла плотно размещать двигатели более чем в два ряда.

Размещение установок в один ряд снизит эффективность использования ветра, однако отнюдь не в два раза. И в этом случае замкнутый контур, вдоль которого размещаются установки, уже не должен быть обязательно шестигранником. Он может иметь и любое другое число граней или быть вообще быть круглым. Так что лучшее размещение ветроустановок в горизонтальной плоскости при любом возможном направлении ветра — по окружности в один ряд, а при их очень большом количестве — по окружности в два ряда с взаимным перекрытием промежутков. При явном преобладании ветров одного достаточно узкого направления может быть целесообразным размещение ветряков по дуге, перпендикулярной этому направлению. Однако линейное размещение и в этом случае нецелесообразно. Оно оправдано лишь там, где боковые ветра практически исключены, скажем в длинной долине между высокими склонами.

Безопасность при использовании ветродвигателей

Для получения более-менее приличной мощности ветроколесо должно иметь достаточно большой размер — как минимум в несколько метров. Соответственно, и его вес будет составлять не один десяток килограммов. В сочетании с достаточно высокой скоростью вращения такая конструкция может не только нанести тяжёлые увечья человеку, неосторожно попавшему в рабочую зону, но и убить его. Поэтому при выборе места для установки ветряка необходимо предусмотреть, чтобы его лопасти во время работы всегда находились на безопасном расстоянии от земли, людей, животных, деревьев, техники и сооружений. Для ветроколёс с горизонтальной осью вращения это обычно подразумевает сооружение мачты с таким расчётом, чтобы нижний край лопастей находился на расстоянии не менее 2.5 .. 3 м от уровня земли (лопасти не должны ударить даже по случайно поднятой руке взрослого человека). Впрочем, стандартная высота мачты для ветряка составляет 9 .. 12 м, чтобы поднять его выше малоэтажной застройки и садовых деревьев, мешающих ветру набрать полную силу вблизи земной поверхности, и потому это условие обычно выполняется «автоматически», но забывать о нём нельзя!

Помимо выбора правильного места размещения, конструкция ветроколеса и мачты должна быть очень прочной, чтобы выдержать самые сильные порывы ветра. Как правило, основание мачты надёжно бетонируется, а сама она фиксируется растяжками, которые тоже крепятся отнюдь не к вбитым в землю колышкам, а к стальным кольцам или петлям из арматуры, намертво вделанным во вкопанные в землю большие и тяжёлые бетонные блоки. В результате площадь, занимаемая отдельно стоящим ветряком, получается не маленькой — для колеса диаметром 5 .. 6 м на мачте высотой 7 .. 9 м придётся выделить минимум сотку, в центре и по углам которой пару-другую квадратных метров займут упомянутые бетонные изделия, а на остальной площади можно будет косить сено, выращивать картошку или пасти коз, но устраивать поблизости детскую площадку, активно заниматься хозяйственной деятельностью или высаживать деревья не стоит. И чем выше мачта, тем шире должна быть «зона безопасности» вокруг неё.

Можно попытаться установить ветроколесо на крыше дома. Здесь расстояние между лопастями и ближайшей к ним частью крыши может быть минимальным — как правило, случайных людей на крышах не бывает, и растительность там отсутствует. Однако и тут не всё так просто. Огромные ветровые нагрузки на колесо в конечном счетё передаются на несущие конструкции крыши и стен дома, которые вряд ли рассчитаны на подобный «довесок» (для колеса диаметром 6 м и площадью 28 м2 при совершенно обычном предгрозовом порыве со скоростью 20 м/с сила ветрового напора может превысить 10 кН, а это вес не самого маленького легкового автомобиля, причём приложен он к оси ветроколеса, т.е. не менее, чем в трёх метрах от крыши, — представьте себе, какие усилия в месте своего крепления создала бы горизонтальная трёхметровая балка, на конце которой висит автомобиль)! Так что здесь не обойтись как минимум без усиления конструкций крыши, иначе велик риск, что слишком сильный порыв вырвет ветряк «с корнем» (то бишь вместе с креплениями и окружающей их частью крыши) или сорвёт крышу целиком, — а такое укрепление крыши на практике скорее всего выльется в её полную переделку.

Наконец, нельзя исключать и возможность разрушения ветроколеса — если не в первые годы, то через несколько лет, — ведь усталость металла и скрытые дефекты поверхностным осмотром обнаружить вряд ли удастся. Если такое, не дай Бог, произойдёт, то, скорее всего, это случится при особо сильном порыве ветра, при большой скорости вращения колеса. Естественно, что в таком случае обломки могут разлететься на десятки метров, и если в конструкции лопастей были использованы какие-либо крупные и тяжёлые элементы, они способны нанести серьёзный вред здоровью и имуществу — как самих владельцев ветряка, так и их соседей. Поэтому при выборе конструкции и места установки ветряка этот аспект тоже необходимо учитывать. Ветряные мельницы испокон века ставились вдали от жилых домов не только из-за меньших препятствий для ветра, но и из соображений безопасности при возможных проблемах с деревянными каркасами их лопастей.

В общем, по большому счёту, достаточно мощный ветродвигатель — это удовольствие для владельцев участков размерами как минимум в несколько десятков соток (а лучше — от гектара и более). На шести сотках можно лишь установить маленький ветрячок диаметром не более двух-трёх метров. Он будет достаточно компактен и безопасен, но вряд ли можно рассчитывать на получение от него на постоянной основе более чем нескольких десятков ватт. Впрочем, длинными тёплыми летними днями и для скромных дежурных потребностей зимой этого может оказаться достаточно.