Ветроэнергетические установки


В. К. ВЛАСОВ










                ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
                УСТАНОВКИ





Монография

















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2022

УДК 551.55
ББК 31.62+26.233
     В58




Р еценз енты : заведующий объединенной лабораторией института гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии
(НИУ «Московский энергетический институт») В. Я. Шеин;
кандидат технических наук, доцент кафедры техники и электрофизики высоких напряжений (НИУ «Московский энергетический институт») С. С. Жуликов




     Власов, В. К.
В58       Ветроэнергетические установки : монография / В. К. Власов. -
     Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 316 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0843-1

      Рассмотрены ресурсы ветроэнергетики. Приведены закономерности поведения ветра при взаимодействии с препятствиями, энергетические характеристики ветра. Подробно описаны первые опыты получения электроэнергии из ветра. Показана динамика развития ветроэнергетики как в масштабах мира, так и в отдельных лидирующих в этой отрасли странах. Освещены вопросы конструкций ветрогенераторов морского базирования. Дан обзор развития ветроге-нераторов альтернативного типа: роторные, спиральные, вибрационные, летающие, а также приведены реализованные проекты, объединяющие ветроэнергетику с архитектурой.
      Для широкого круга читателей, исследователей, любителей техники и разработчиков объектов альтернативной энергетики, изобретателей.


                                                      УДК 551.55
                                                      ББК 31.62+26.233







ISBN 978-5-9729-0843-1 © Власов В. К., 2022
                      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            СОДЕРЖАНИЕ



ОТ АВТОРА.....................................................6
ПРЕДИСЛОВИЕ...................................................7

ЧАСТЬ 1. РЕСУРСЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ
Глава 1. Ветер...............................................10
Глава 2. Скорость и сила ветра...............................18
Глава 3. Характер ветра......................................24
     3.1. Профиль............................................24
     3.2. Ускорение и турбулентность.........................27
     3.3. Устойчивость.......................................28
     3.4. Мощность...........................................30
Глава 4. Отбор мощности ветра................................31
     4.1. Аэродинамический КПД...............................31
     4.2. Лобовой удар.......................................32
     4.3. Атака под углом....................................35
     4.4. Сила Магнуса.......................................40
Глава 5. Ресурсы ветроэнергетики.............................43
Глава 6. Ветроэнергетические установки.......................48
     6.1. Виды и область применения..........................48
     6.2. Ветроагрегат.......................................52
Глава 7. Ветродвигатель......................................54
     7.1. Аэродинамическая поверхность.......................54
     7.2. Классификация......................................57
     7.3. Ротационные........................................59
        7.3.1. Ветроколёсные.................................59
        7.3.2. Ветророторные.................................62
     7.4. Поступательные.....................................66
     7.5. Колебательные......................................67
Глава 8. Измерение скорости ветра............................68

ЧАСТЬ 2. ВЕТРЯНЫЕ МЕЛЬНИЦЫ
Глава 9. Аналоги и прототипы.................................73
     9.1. Мифы на ветер......................................73
     9.2. Музыкальное недоразумение..........................75
     9.3. Колесо с парусами..................................80


3

Глава 10. Самые первые........................................82
     10.1. Персидские фабрики.................................82
     10.2. Китайские циновки..................................87
Глава 11. Европейское изобретение.............................90
     11.1. Парусная история...................................90
     11.2. Столбовая мельница.................................97
     11.3. Башенная мельница.................................102
     11.4. Первые ветроинженеры..............................107
     11.5. Голландский Палтрок...............................116
     11.6. Профильные страдания..............................118
     11.7. Горизонтальные мельницы...........................123
Глава 12. Русский ветряк.....................................127
     12.1. Столбовка.........................................127
     12.2. Шатровка..........................................130
     12.3. ВИМЭ+.............................................132
Глава 13. Молинология........................................136

ЧАСТЬ 3. ВЕТРОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ
Глава 14. Английское начало..................................138
Глава 15. Американская история...............................140
     15.1. Перистое колесо Халладэя..........................142
     15.2. Эклипс Уилера.....................................146
     15.3. Железный Перри....................................149
     15.4. Хоммэйд...........................................153
Глава 16. Советский призыв...................................156

         ЧАСТЬ 4. ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Глава 17. Пионеры............................................161
     17.1. Джеймс Блайт......................................161
     17.2. Чарльз Браш.......................................163
     17.3. Поль ла Кур.......................................164
Глава 18. Последователи......................................167
Глава 19. Крылатые исполины..................................176
     19.1. Крымский вызов....................................176
     19.2. Мегаваттная попытка...............................178
     19.3. Германский размер.................................185
     19.4. Цемент на ветер...................................188
     19.5. Мирный ветер......................................188
         19.5.1. Второй заход................................189
         19.5.2. Ветер в трубе...............................190
         19.5.3. Маслобойня..................................191
         19.5.4. Имени себя..................................194
         19.5.5. Стык Хюттера................................196
         19.5.6. Атомный ветер...............................203


4

     19.6. Новый старт.........................................205
         19.6.1. NASA рулит....................................205
         19.6.2. Европа строит.................................218
     19.7. В полный рост.......................................235
     19.8. Электростанция......................................239
     19.9. Дальше в море.......................................246
     19.10. Коэффициент мощности...............................255
     19.11. Самые и самые......................................257
     19.12. Парусные крылья....................................259
     19.13. Роторы Флеттнера...................................260
Глава 20. Роторный ветер.......................................264
     20.1. Простой ротор.......................................264
     20.2. Ротор Савониуса.....................................266
     20.3. Ротор Дарье.........................................268
     20.4. По спирали..........................................281
     20.5. Ураганный ротор.....................................284
Глава 21. Мозаика ветра........................................285
     21.1. Ветер на конвейере..................................285
     21.2. Махать и вибрировать................................287
     21.3. Летающие............................................292
     21.4. Архитектура.........................................302

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................305

5

            ОТ АВТОРА



     В процессе работы над книгой много времени пришлось провести в читальных залах и фондах Российской государственной библиотеки (Ленинка), Государственной публичной научно-технической библиотеки России, Всероссийской патентно-технической библиотеки. Выражаю глубокую признательность сотрудникам этих учреждений, сделавшим время моей работы там таким продуктивным.
     Выражаю благодарность Майку Хавкриджу, партнёру Королевского фотографического общества Великобритании, и Джону Мюлльнеру, известному путешественнику и фотографу из США за предоставленные для книги фотографии труднодоступных для меня исторических объектов. Саетору Асгейрссону (IceWind, Исландия), Лейле Ютсиниеми (Oy Windside Production Ltd., Финляндия), Харике Кавамото (Challenergy Inc., Япония) за материалы по корпоративным разработкам ветроэнергетических установок. Дарио Нуньесу Амени (Atelier DNA, США) за пояснения и предоставленные материалы по проекту самой необычной ветряной электростанции Windstalk. Анне Стаак (SkySails GmbH, Германия) за иллюстративные материалы и уточнения по использованию технологии SkySails. Доктору физико-математических наук, профессору Иосифу Иосифовичу Смульскому за пояснение теории и особенностей работы шнекового ветрогенератора. Научному сотруднику Института востоковедения РАН Сергею Леонидовичу Рабею за совместный анализ древних текстов и их переводов. Галине Симоновой, переводчику Посольства Дании за уточнение правописания некоторых сложных имён. Илье Филиппову, члену Архангельской команды по сохранению и восстановлению ветряных мельниц русского Севера за пояснение конструктивных особенностей традиционной русской ветряной мельницы.
     Особо хочу отметить, что настоящая книга была бы невозможна без поддержки моих близких и родных.

6

            ПРЕДИСЛОВИЕ



      В энергетическом балансе Земли на долю ветра относят всего 2% мощности приходящего солнечного излучения. Несмотря на кажущуюся скромность этой цифры, в абсолютном выражении это составляет мощность порядка 3-10⁶ ГВт. Оставить без внимания такой объём бесхозной энергии было беспечно, и в конце 70-х годов прошлого века ветроэнергетика становится глобальной отраслью, в которой участвуют энергетические гиганты с ежегодными инвестициями в сотни миллиардов долларов. По данным Всемирной ассоциации ветроэнергетики к концу 2019 года установленная мощность подключённых к сети ветрогенераторов на Земле превысила 650 ГВт.
      Однако не весь ветер может стать полезным, то есть таким, энергия которого может быть направлена на выполнение полезной для человека работы. Энергия ветра рассеяна в огромном пространстве атмосферы, и попытка эффективно собрать её одним устройством наталкивается на технические трудности. Регионы с высоким потенциалом энергии ветра распределены по карте Земли неравномерно и в большинстве своём удалены от мест массового потребления энергии. Сам ветер отличается стихийностью, он неустойчив и неоднороден. Концентрация энергии ветра колеблется в широких пределах от 2 Вт/м² при лёгком ветре 2 м/с и до 40 000 Вт/м² при скорости ветра 40 м/с во время урагана.
      Преобразование стихийной энергии ветра в форму, удобную для полезного применения, осуществляют ветродвигатели, которые подразделяются на первичные и вторичные. К первичным ветродвигателям относят устройства, преобразующие энергию ветра непосредственно, без трансмиссий и передаточных механизмов. К представителям этой группы относится Парус, преобразующий энергию ветра в поступательное движение транспортного средства, Воздушный змей со всеми его разновидностями (змейковый поезд, крыло Рогалло, кайт, парафойл), роторы Флеттнера, преобразующие энергию ветра в силу Магнуса. Первичные ветродвигатели подробно исследованы в книге автора [10].
      Вторичные ветродвигатели преобразуют энергию ветра опосредовано, через промежуточные механизмы или устройства для её накопления. К этой группе относятся устройства, преобразующие энергию ветра в энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в другие виды механической энергии (ветряные мельницы, ветронасосные установки), в электрическую энергию (ветроэлектрические установки). Вращательное движение вала вторичного ветродвигателя открывает широкий простор для конструкторской мысли. Дробить зерно и молоть муку, поднять воду для орошения полей, обустроить лесопилку или маслобойку. Всё это, являясь атрибутом хорошо всем известной с детства ветряной мельницы, нарушает стереотипное представление о ней как об устройстве исключительно для помола зерна. А если подобрать трансмиссию 7

и поставить ветряную мельницу на колёса или водрузить на палубу судна, то можно ехать по земле или плыть по морю. А если вращающийся вал совместить с валом электрического генератора, то такая ветряная мельница, теперь уже ветрогенератор, будет вырабатывать электроэнергию. Именно в многогранности назначения лежит всеобщий интерес к вторичным ветродвигателям, которые всё больше и больше становятся объектом пристального внимания ветроэнергетики.
      Сегодня Россия не относится к лидерам ветроэнергетики. Однако нелишне напомнить, что такое время в нашей истории было. 4 февраля 1931 года в Курске дала ток первая в мире ветроэлектрическая станция мощностью 8 кВт с инерционным аккумулятором уникальной конструкции. Станция, которую построил курский изобретатель-самоучка Анатолий Георгиевич Уфимцев во дворе усадьбы своего дома, в настоящее время является объектом культурного наследия федерального значения. В том же 1931 году в городе Балаклава в Крыму на Караньских высотах заработала первая в мире промышленная ветроэлектростанция ЦАГИ Д-30 мощностью 100 кВт. Эта станция, не имевшая на то время себе равных в мире, была разрушена немецкими войсками в 1942 году.
      В наши дни один из крупнейших и старейших в мире производителей вет-рогенераторов датская компания Vestas Wind System A/S совместно с консорциумом российских компаний строит в Ульяновской области завод по производству лопастей для ветрогенераторов. После выхода предприятия на полную мощность на нём будет работать 200 человек. Завод будет выпускать порядка 300 лопастей в год. Помимо лопастей, совместная с Vestas программа для повышения уровня локализации производства предусматривает выпуск в России башен для ветроустановок.
      Книга состоит из четырёх частей. В первой части рассмотрены ресурсы ветроэнергетики. Даётся картина ветров во всём их разнообразии, закономерности поведения ветра при взаимодействии с препятствиями, энергетические характеристики ветра. Вводится понятие аэродинамического коэффициента полезного действия. Рассматриваются варианты отбора энергии ветра и экономические оценки ресурса ветроэнергетики. Впервые предлагается классификация ветродвигателей по виду движения аэродинамической поверхности. В историческом аспекте показано развитие методов определения скорости ветра.
      Вторая и третья части книги посвящены ветросиловым установкам, соответственно ветряным мельницам и ветряным насосам. На основе анализа первичных источников показано зарождение и путь развития ветряных мельниц до наших дней. Предлагается авторская гипотеза рождения европейской мельницы, освещаются особенности обустройства мельницы на Руси. Прослеживается путь развития конструкции ветряных насосов от самодельных установок первых переселенцев на североамериканском континенте, до научно обоснованных разработок в лабораториях советских институтов.
      Четвёртая часть книги посвящена ветроэлектрическим установкам - вет-рогенераторам. Подробно описаны первые опыты получения электроэнергии из ветра, роль личности в становлении новой отрасли энергетики и государствен

8

ные программы США и Европы, заложившие основы развития современной ветроэнергетики. Показана динамика развития ветроэнергетики, как в масштабах мира, так и в отдельных лидирующих в этой отрасли странах. Освещаются вопросы конструкций ветрогенераторов морского базирования: прибрежные (оффшорные) и плавающие. Рассматривается процесс становления ветряных ферм на суше и на море. Даётся обзор развития ветрогенераторов альтернативного типа: роторные, спиральные, вибрационные, летающие, а также освещаются реализованные проекты, объединяющие ветроэнергетику с архитектурой.
      В книге анализируются исторические аспекты развития устройств ветроэнергетики, анализируются исследования и конструкторский опыт ведущих мировых разработчиков и производителей. Книга адресована широкому кругу читателей, исследователям, любителям техники и разработчикам объектов альтернативной энергетики, изобретателям. Обширная библиография отечественных и зарубежных работ поможет специалистам глубже изучить рассматриваемые вопросы.

9

            ЧАСТЬ 1. РЕСУРСЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ




        Глава 1. Ветер

     Ветер смело можно отнести к самым романтическим явлениям природы. С ним неразрывна эпоха великих географических открытий и похождения джентльменов удачи. На ветру развеваются флаги, но ветры стирают с лица Земли и целые города. Да и полетел человек, опираясь не только на силу своего разума.
     Ветер является возобновляемым источником энергии. Образуется он, прежде всего, в результате неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. А учитывая тот факт, что Солнце, если не в физическом, то в биологическом смысле, является для человечества источником вечным, то и ветер можно отнести к вечным источникам энергии.
     Ветром называют горизонтальную составляющую скорости воздуха над поверхностью Земли. Ветер всегда дует из области высокого давления в область низкого, и чем больше разность давления между соседними участками земной поверхности, тем ветер сильней. Если разность давления постоянна, ветер также постоянен, как например Пассат (исп. viento de pasada - ветер, благоприятствующий переезду, передвижению), сила и направление которого неизменны в течение года. Благодаря своему постоянству в эпоху парусного флота Пассаты были основным фактором для построения маршрутов движения судов в сообщении между Европой и Новым Светом.
     Некоторым областям тропиков и приморским территориям умеренного пояса свойственно господство Муссонов (от араб. mavsim - время года). Это устойчивые ветра, периодически меняющие своё направление в соответствии с сезонными колебаниями температуры. В тропиках муссоны вызываются смещением зоны пониженного давления в то полушарие, где в данном полугодии лето. Лето приносит с собой в эти регионы преобладание западных ветров с обильными осадками. В зимний для данного полушария период зона пониженного давления уходит в другое полушарие, и на смену летнему муссону приходит зимний с преобладанием сухих восточных ветров. В умеренных широтах муссоны вызваны преобладанием над материками антициклонов в зимнее время и депрессий - в летнее. В этих районах зимний муссон обычно дует с континента, а летний - с океана.
     При движении воздуха над сушей неровности рельефа тормозят его, и потому наиболее сильные ветра обычно наблюдаются над морем или вблизи морского побережья. Шторм - это длительный и сильный ветер, сопровождающийся сильным волнением на море. Такой же ветер на суше в народе называют «буря».


10

Скорость приземного ветра при буре достигает 20 м/с и более. Кратковременные усиления ветра до скорости шторма или бури называют шквалами.
     Обрушиваясь на морское побережье, бури оставляют после себя страшные разрушения. На море бури разгоняют гигантские волны, топят корабли, а иногда становятся участниками исторических событий. Так в 492 году до н. э. неожиданно налетевшая буря разметала и утопила у берегов Афона 300 кораблей персидского царя Дария, защитив, таким образом, Грецию от порабощения [12].
     В тропических широтах обоих полушарий Земли над тёплой морской поверхностью зарождаются самые опасные и разрушительные природные явления на нашей планете - тропические циклоны. На Дальнем Востоке и в Юго-Восточной Азии тропические циклоны называют тайфунами, от китайского дай фын, что переводится как большой ветер, а в Северной и Южной Америке - ураганами (исп. huracan, англ. hurricane), от имени бога ветра майя - Хуракана.
     Тропический циклон представляет собой мощный, обладающий огромной разрушительной силой атмосферный вихрь диаметром 300-400 км с очень низким давлением в центре - глаз бури. Появление циклона сопровождается мощной, спускающейся до земли, грозовой облачностью, ураганными ветрами, сильными ливнями и огромными океанскими волнами. Продолжительность жизни тропического циклона от суток до трёх недель. Из-за больших изменений давления внутри скорость ветра тайфуна достигает 100-110 м/с. Даже самым крупным современным судам трудно бороться с ураганом, и часто эта борьба заканчивается гибелью судна.


Тропический циклон Мария

      Ураганы по силе воздействия на окружающую среду не уступают землетрясениям. Разрушаются строения, мачты линий электропередачи и связи, транспортные магистрали, ломаются и выворачиваются с корнями деревья, переворачиваются морские суда и автомобильный транспорт. Часто ураганы сопровождаются ливнями и снегопадами. В результате сильного ветра происходит ветровой нагон воды на устьевом участке рек, подтапливаются населённые пункты, пахотные земли, предприятия вынуждены останавливать производство.


11

     Ежегодно на нашей планете наблюдается около 100 тропических циклонов, большинство из которых (примерно 25) рождается в северо-западном тихоокеанском бассейне. Наименее активным является северный бассейн Индийского океана, где ежегодно случается лишь 4-6 тропических циклонов.
     В 1268 году великий монгольский правитель Хубилай-хан, внук знаменитого Чингисхана, завоевав Северный Китай и Корею, потребовал подчинения и от Японии. В ноябре 1274 года флот из девятисот кораблей с сорока тысячами войска Хубилай-хана подошёл к острову Кюсю и после успешного дневного сражения воины отошли на свои суда. Но в тот вечер шторм грозил сорвать суда с якоря, и кормчие были вынуждены выйти в море. Однако разбушевавшийся шторм жестоко разметал флот монгольского завоевателя. Двести кораблей затонули, в живых осталось меньше половины воинов. Но, несмотря на понесённые потери Хубилай-хан и его союзники через семь лет вновь собрали бесчисленную армаду кораблей и к исходу июля 1281 года атаковали японские острова. Японскому императору и его сановникам оставалось лишь молить богов о помощи. И помощь пришла в виде налетевшего тайфуна, который разрушил всё, что только возможно. Историки полагают, что потери монголов от тайфуна составили четыре тысячи кораблей и превысили сто тысяч человек в живой силе. А тайфун, дважды уничтоживший корабли монгольской армады Хабилай-хана на подступах к берегам Японии, получил название «Божественный ветер», по-японски - «камикадзе» (яп. ками - божество, кадзэ - ветер). Так родилась легенда о камикадзе.
     Чтобы избежать недоразумений при прогнозировании погоды и при штормовых оповещениях, особенно, когда в одном районе действует несколько тропических циклонов, ураганам принято давать имена. Первоначально они получали свои названия бессистемно и случайно. Иногда ураган называли именем святого, в день которого произошло бедствие. Так, например, своё имя получил ураган Санта-Анна, который достиг города Пуэрто-Рико 26 июля 1825года, в день св. Анны. Название могло даваться и по местности, которая пострадала от стихии больше всего.
     Австралийский метеоролог Клемент Рагг (Clement Lindley Wragge) предложил присваивать тропическим циклонам имена членов парламента, которые отказывались голосовать за выделение кредитов на метеорологические исследования. Но из-за политических разногласий эта идея не прижилась. Во время Второй мировой войны метеорологи военновоздушных и военно-морских сил США вели наблюдение за тайфунами в северо-западной части Тихого океана, и чтобы избежать путаницы называли тайфуны именами своих жён или подруг. После войны национальная метеослужба США составила алфавитный список женских имён, основной идеей которого стало использование коротких, простых и легко запоминающихся имён. Это вошло в систему, и было распространено на другие тропические циклоны - тихоокеанские

Клемент Рагг 18.IX.1852 -10.XII.1922

12

тайфуны, штормы Индийского океана, Тиморского моря и северо-западного побережья Австралии. В случае, если тайфун оказывался особенно разрушителен, имя, присвоенное ему, вычёркивалось из перечня и заменялось другим. Первыми в 1954 году из списка были исключены имена Кэрол и Хэйзел.
      В условиях большой неустойчивости атмосферной стратификации (распределение температуры воздуха по вертикали) могут возникать прерывистые круговые движения воздуха - вертикальные вихри. Эти вихри отличаются по размерам от тропических циклонов в меньшую сторону и образуются в результате подъёма более нагретого воздуха от поверхности земли. Отличительной особенностью вертикальных вихрей является их развитие снизу вверх и если над ними фиксируется облако, то оно является следствием вихря, а не его причиной [28].
      Вертикальные воздушные вихри чрезвычайно многочисленны. Они возникают при безоблачном небе на пыльных улицах и площадях городов, в сухих степях и на снежных просторах полей, на поверхности морей и озёр. Диаметр столба таких вихрей колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. В вихре наблюдается быстрое вращение воздуха при одновременном его подъёме вверх. Столб вихря поднимается на высоту нескольких десятков метров и совершенно самостоятельно двигается в гори

зонтальном направлении. При интенсивном нагреве верхнего слоя земли в пустынях, в сухих степях или просто на пыльной дороге часто возникают пыльные или песчаные вихри. Двигаясь, они причудливо изгибаются, отчего получили название пыльные дьяволы.
      Огненно-дымовые вихри возникают во время пожаров. Они многочисленны и своеобразны, как многочисленны и своеобразны источники пожаров. Небольшие пожары сопровождаются остающимися незамеченными небольшими вихрями. Но 6 августа 1945 года во время пожара, возникшего после атомного взрыва в Хиросиме, образовался громадный огненно-дымовой вихрь, поднимавший в воздух стволы больших деревьев и высасывающий воду из прудов. Пепловые вихри нередко возникают над потоками раскалённой лавы. Снежные вихри возникают везде, где существуют значительные площади, покрытые рыхлым снегом, а водяные вихри нередки на поверхности моря и больших озёр. Перечень своеобразных и нередко загадочных явлений, каковыми являются вертикальные вихри, замыкают воздушные или невидимые вихри. Это вихри образованы чистым воздухом. Они почти невидимы и заметны лишь по необъяснимому движению различных предметов. Все вертикальные вихри распадаются так же внезапно, как и возникают. Вращающийся столб останавливается, уменьшается в размерах и полностью исчезает.

Песчаный вихрь

13