Ветрогенератор, который живет на крыше

Текст продолжает проект об экологии «Переменная».

Европа уже давно привыкла к пейзажам и маринам, утыканным ветроэлектростанциями, а для нас пока фотографии ветряков в строящемся ульяновском ветропарке выглядят несколько инопланетно. По оценкам экспертов ВШЭ, технический потенциал ветровой энергии России составляет от 6516,6 до 17100,9 миллиарда кВт⋅ч — это довольно много. Пока существующие ветроэлектростанции производят десятые доли процента всей электроэнергии в стране, а суммарные установленные мощности составляют пока копеечные 13 МВт — для сравнения: в Китае общая установленная мощность еще в 2015 году превысила 105 ГВт, в США — 60 ГВт.

Но если просто заставить ветрогенераторами все свободные площади в стране, толку будет мало. В России открыт огромный рынок для малых мощностей — удаленные районы, куда нецелесообразно тянуть линии электропередачи, места, где необходимо иметь источники резервного питания, сельская местность, разного рода временные и сезонные объекты. Вице-премьер Аркадий Дворкович в феврале нынешнего года дал поручение о «стимулировании развития микрогенерации на основе возобновляемых источников энергии», а в июле он же одобрил план по ее стимулированию. Что могут предложить этому перспективному рынку отечественные разработчики?

Ветрогенераторы бывают разных типов. Самые распространенные — с горизонтальной осью круглого вращения, или крыльчатые, — те самые, что похожи на большой вентилятор. Но есть и другие — менее заметные, но более эффективные.

Для того чтобы оценить эффективность ветрогенераторов, смотрят на главный параметр — коэффициент использования энергии ветра, или КИЭВ, который показывает, какую часть энергии из этого набегающего потока можно эффективно использовать. Его можно назвать аналогом коэффициента полезного действия — это наш старый знакомый из школьного курса физики КПД, про который мы помним, что он не может быть больше единицы.

«В свое время Николай Жуковский и независимо от него Альберт Бетц теоретически показали, что максимальный КИЭВ, который может быть получен для ветрогенераторов, — 0,59. До сих пор это считается непревзойденным пределом, к которому пытаются приблизиться разработчики. Наибольшей эффективностью обладают ветряки классического крыльчатого типа, КИЭВ которых при скорости ветра 10—11 м/с может достигать 0,47», — рассказывает Андрей Терентьев, генеральный директор компании «Энергоинновации» и автор проекта ветрогенератора «Альбатрос».

Разработчики «Альбатроса» взяли за основу менее эффективный ротор Дарье. Это устройство, лопасти которого напоминают крылья самолета, движущиеся вокруг вертикальной оси. Работает он за счет подъемной силы, а его главный недостаток — стартует только при больших скоростях ветра. Зато по своей эффективности он приближается к классическим горизонтальным моделям.

В России установленные мощности ветрогенерации составляют копеечные 13 мегаватт — для сравнения: в Китае общая установленная мощность еще в 2015 году превысила 105 гигаватт.

Чтобы ротор стартовал при малых скоростях ветра, инженеры придумали адаптивную систему управления крыльями, добавив к крыльям щелевые закрылки, которые также управляются этой системой. «В процессе работы ротора крылья и закрылки движутся относительно друг друга как рыба с хвостом. В результате этих усовершенствований оказалось, что при определенном режиме мы не только преодолели предел Жуковского—Бетца, но и получили КИЭВ больше единицы», — рассказывает Терентьев.

Как так получилось? «Альбатрос» на самом деле не нарушает законы физики. При взаимодействии крыла с закрылком возникает засасывающий потоки вихрь. Если бы не придуманная система управления крылом и закрылком, то, как в случае с классическими моделями, часть ветрового потока просто отклонялась бы перед самим винтом и проходила бы мимо. В случае с «Альбатросом» получилось наоборот: при такой конструкции виртуально увеличивается эффективная ометаемая поверхность, с которой снимается энергия потока. Причем для достижения такого эффекта достаточно скорости ветра всего лишь в 2—2,5 м/с. Стартует же «Альбатрос» при скорости 0,5 метра в секунду.

Андрей Терентьев и его коллеги уже создали готовый к промышленному производству прототип ветрогенератора. При всех плюсах его большим минусом становится цена: устройство будет явно недешевым, а причина тому — генератор, в котором используются неодимовые магниты. Неодимовый монополист Китай не стесняется повышать цены, что, увы, сказывается на стоимости подобного рода устройств.

Сможет ли такой ветрогенератор выработать достаточно энергии? Первую попытку свести данные метеорологов с характеристиками конкретных моделей ветряков сделала студентка второго курса кафедры климатологии и мониторинга окружающей среды СПбГУ Юлия Казачкова под руководством доцента университета Аллы Юровой. В своей курсовой работе Казачкова рассчитала, на какой высоте и при какой скорости ветра в Ленинградской области экспериментальный ветрогенератор вертикального типа «Альбатрос» будет работать наиболее эффективно. Оказалось, что на высоте 10 метров (это стандартная высота над землей, на которой проводятся замеры скорости и направления ветра на метеостанциях) ветрогенератор в месяц будет вырабатывать 72 кВт⋅ч энергии, а на высоте 30 метров— уже 165 кВт⋅ч. Исходя из нормативов потребления электроэнергии по Санкт-Петербургу, на каждого из трех человек, проживающих в двухкомнатной квартире и использующих газовые плиты, необходимо 48 кВТ⋅ч энергии в месяц. То есть на троих одного ветрогенератора вполне хватит.

Стоит отметить, что вообще-то Ленинградская область, несмотря на то что ветер здесь, как верно подметил Николай Васильевич Гоголь, по петербургскому обычаю, дует со всех четырех сторон, не входит в число регионов с самым высоким ветропотенциалом. Средняя скорость ветра осенью и зимой составляет всего 4 м/с, а среднегодовая скорость ветра составляет 3,3 м/с. Из-за крупных водоемов (Финский залив, Онежское и Ладожское озера) и разнообразия ландшафтов местная погода неустойчива, а это, в свою очередь, сильно осложняет прогнозирование. К благоприятным зонам развития ветроэнергетики относятся помимо северо-запада страны северные территории Урала, Курганская область, Калмыкия, Краснодарский край, Дальний Восток.

Основываясь на анализе данных в прошлом, можно составить хотя бы примерную картину того, сколько энергии можно получить из местных ветров. Для этого Юлия Казачкова взяла данные о скорости и направлении ветра за 10 лет (с 2005 по 2015 год) на метеостанциях, расположенных в Пулкове (юг города) и Выборге (север Ленинградской области, недалеко от границы с Финляндией). Эти данные доступны на сайте американского Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA). Еще одной важной характеристикой ветра является его повторяемость, которая показывает, какую часть времени из выбранного периода ветра дули с той или иной скоростью. Сопоставив эти данные с характеристиками конкретной модели ветрогенератора (тот самый КИЭВ), студентка с использованием программы MatLab рассчитала мощность ветрового потока для каждой конкретной скорости ветра в данном регионе на высоте 10 и 30 метров.

И все равно это довольно грубая прикидка, поскольку не учтена еще одна важная характеристика — ландшафт, влияющий на формирование воздушных потоков. В дальнейшем студентка может разработать программу или приложение, благодаря которым каждый пользователь сможет рассчитать, какой именно способ получения энергии из ветра лучше всего подойдет для его нужд.

Конечно, в городах таким маленьким источникам энергии будет сложно конкурировать с электросетями. Но в местах, где с электросетями все плохо, такие системы вполне могут себя оправдать — для этого теперь надо автоматизировать расчеты, нужные, чтобы понять, стоит ли ставить рядом со своим дачным домиком ветряк.