ВОЗДУШНАЯ ПЛОТИНА

Создатели ветроэнергетических установок по традиции, возникшей еще со времен ветряных мельниц, стараются сделать крыльчатки как можно большего диаметра и таким образом выжать из воздушного потока максимум мощности (см. “Наука и жизнь” № 3, 2004 г.). В частности, на Западе строят установки с ветряными колесами диаметром более 100 м и мощностью до 5 мВт. В Германии, США и Дании возводят так называемые ветропарки, размещая на значительной площади десятки и сотни установок, тоже достаточно больших размеров.

Как показывает практика, крупные ветроэнергетические сооружения себя окупают, но вложения в их создание настолько велики, что по силам лишь государству или крупным корпорациям.

В России исполинские ветряки пока не нашли широкого применения, но многие отечественные предприятия выпускают ветроустановки различных размеров и производительности, снабжающие электроэнергией отдельные здания и небольшие предприятия (см. “Наука и жизнь” № 11, 2005 г.). Например, на рынке есть небольшие установки (с длиной лопасти 2,5 м) ценой около 150 000 руб., рассчитанные на мощность 1,5 кВт при скорости ветра 11,5 м/с. По шкале Бофорта эта скорость соответствует сильному ветру. Такие ветра дуют в основном на Крайнем Севере России. Но там конструкции не выдерживают суровых климатических условий и быстро разрушаются.

В центральной полосе среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с. Удельная мощность воздушного потока, приходящаяся на единицу площади его поперечного сечения, пропорциональна скорости ветра в кубе. Следовательно, при таком ветре одна установка будет вырабатывать мощность в 8 раз меньше паспортной, то есть всего 200 Вт. Даже если предположить, что внутренние цены на энергоносители в России сравняются с мировыми, установка сможет окупиться не менее чем за 10 лет.

Преобразование энергии происходит тем более эффективно, чем выше плотность ее потока. Другими словами, нужно сконцентрировать энергию в маленьком объеме или на маленькой площади. В частности, в гидроэлектростанциях энергию концентрируют, возводя на реках плотины. Применив своеобразную плотину, можно значительно повысить эффективность работы и ветроэнергетических установок. На заре современной ветроэнергетики предлагались подобные концентраторы воздушного потока в виде металлических воронок, установленных на мачте. С их помощью удалось повысить скорость набегающего потока в 1,5 раза и соответственно увеличить мощность в 3,4 раза по сравнению с обычным ветродвигателем. Однако устройство после испытаний было признано малоэффективным и небезопасным.

К сожалению, тогда не догадались рассмотреть другие варианты конструкции концентратора и идею “похоронили”. И, видимо, напрасно.

Можно сделать воздушную плотину-концентратор, используя парашют или парус специальной формы с отверстием, диаметр которого соответствует размеру крыльчатки. К краям отверстия крепят сопло Лаваля, в котором установлена турбина ветрогенератора. Если сопло сделать достаточно длинным, то можно применить многоступенчатые турбины и тем самым дополнительно повысить эффективность установки.

Концы строп парашюта закрепляют на земле якорем, а сопло с генератором ставят на катки, движущиеся по кольцевым направляющим. В этом случае установка автоматически поворачивается при изменении направления ветра. Установка находится на земле, и поэтому обрушение ей не грозит. Не страшны ей и сильные порывы ветра: специальное устройство при усилении воздушного потока сверх критического значения подтягивает верхнюю стропу, прижимает купол к земле и уменьшает его парусность.

У нашей воздушной плотины есть еще одно достоинство по сравнению с традиционными ветряками. Крыльчатки больших ветровых установок вращаются с частотой в несколько оборотов в секунду. Возникающие при этом низкочастотные механические колебания распространяются на значительные расстояния и наносят вред окружающим растениям и животным.

Небольшие размеры ротора новой установки позволяют ему вращаться с большой скоростью. А колебания высокой частоты нетрудно экранировать простыми демпфирующими устройствами.