Винт-турбина – новый инструмент ветроэнергетики

Для начала, познакомимся с современной ветроэнергетикой. Существует множество способов преобразования энергии ветра в электроэнергию, однако наиболее эффективным является использование ветроустановок с горизонтальной осью вращения. В настоящее время около 90% электроэнергии в ветроэнергетике вырабатывается горизонтальноосевыми установками. Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) у них достигает 43%, КИЭВ ротора Савониуса равен 25%. Максимальный КИЭВ равный 0,593 теоретически обосновали в начале двадцатого века независимо друг от друга Бетц и Жуковский (теорема Бетца и теория идеального ветряка). Горизонтальноосевые установки бывают малолопастными (обычно 2-3 лопасти), и многолопастными – 8 -12 лопастей и больше. И те и другие имеют свои минусы. Малолопастной винт имеет маленький стартовый момент и неэффективен при слабом ветре, который, кстати говоря, дует чаще. Многолопастная турбина стоит дороже (стоимость примерно пропорциональна кол-ву лопастей), требует более прочного несущего основания, однако при сильном  ветре не даёт преимущества, т.к. лопасти начинают мешать друг другу. Попытки выбрать золотую середину – 5-6 лопастей подобны погоне за двумя зайцами. Применение лопастей с переменным углом атаки приводит к удорожанию, но не даёт существенного увеличения момента страгивания. К тому же все вышеперечисленные ветроустановки имеют общий недостаток – форма лопастей. Т.к. каждая лопасть должна выдерживать силу максимального рассчитанного ветра, в ней закладывается ребро жёсткости. Это придаёт лопасти толстый объёмный вид, высокий коэффициент лобового сопротивления и большоё, около 70 000, критическое число Рейнольдса. Соответственно, сложность и стоимость изготовления объёмной криволинейной лопасти выше стоимости криволинейной пластины.

Каких же результатов добилась современная ветроэнергетика, используя вышеперечисленные инструменты? Это вырабатывание энергии в 20% от расчётной мощности и высокая себестоимость энергии, несмотря на бесплатный возобновляемый ресурс, подаренный природой.

Что делать? Если рассуждать логически, то для эффективного использования силы ветра, во-первых, на малом ветре должно использоваться много лопастей, на среднем – около 6-ти, а на сильном – две, а во-вторых, лопасть должна быть плоской. Правильно! Но не будем же мы менять роторы на тысячах ветроустановок каждый раз, когда ветру заблагорассудится поменяться, да и плоские лопасти поломает ветром. Опять правильно!

Пусть винт-турбина сама меняет количество лопастей, а на сильном ветре – складывает их в стопку, чтобы ветер их не сломал. На то она и винт-турбина. Принцип её действия в регулировании количества лопастей в зависимости от силы ветра. При сильном ветре винт-турбина – это быстроходный двухлопастной винт, при слабом ветре – тихоходная многолопастная турбина.

Теперь поговорим о форме лопастей винт-турбины. Идеальная форма лопасти – это поверхность, образованная множеством перпендикуляров, которые соединяют спираль, с её осью. На практике, изготовление такой лопасти гораздо проще, чем вытачивание мудрёных профилей NACA и т.п. Достаточно начертить на листе линию под углом равным углу атаки кончика лопасти, установить лист на окружность с диаметром будущего ветроколеса, натянуть армирующие нити перпендикулярно между осью окружности и начерченной линией и оклеить их стеклотканью. После отвердения стеклопластика нужно сформировать контуры лопасти ножницами или лобзиком. Лопасть готова. Так же можно изготавливать лопасти непосредственно на ступице ветроколеса. Для этого диск ступицы должен иметь козырьки, обрезанные соответственно углу атаки данного участка лопасти. Либо перед ступицей должен стоять промежуточный лист с отверстиями на линии угла атаки. Если приложить линейку поперёк такой лопасти, мы увидим, что лопасть имеет s-образный профиль, с достаточным  ребром жёсткости, чтобы держать нагрузку среднего ветра, что для винт-турбины достаточно. Как мы уже знаем, при сильном ветре винт-турбина складывает лопасти в стопку, и прочность рабочей лопасти умножается на два и более.

Ещё один вопрос касается сложения лопастей. Вернее это касается мнения экспертизы, по которому увеличение силы ветра приведёт не к сложению лопастей, а лишь к дополнительному силовому воздействию на лопасти.

Для сложения лопастей, кроме увеличения силы ветра, необходимо так же увеличение момента вращения вала ветроколеса. Это достижимо, и причём, несколькими способами. Наиболее простой - электронная система контроля (регулятор), обычно, она поставляется вместе с ветрогенератором. Т.е. дополнительного оборудования не требуется. А суть в следующем: момент вращения вала при слабом ветре должен быть меньше силы пружины, расправляющей лопасти, а при сильном ветре – больше.

Следующий вопрос касается числа Рейнольдса. При достижении критического числа Рейнольдса (ReK) ламинарное течение сменяется турбулентным, при этом резко падает лобовое сопротивление и возрастает подъёмная сила, действующая на лопасть. Для примера возьмём объёмную лопасть (ReK=70 000) и плоскую (ReK=10 000), при прочих равных условиях, объёмная лопасть попадёт в турбулентное течение при скорости ветра в 7 м/с, а плоская – при 1 м/с. Т.е. число ReK определяет с какой скорости ветра начнётся эффективная работа лопасти, чем оно меньше, тем лучше.

Вопрос о потере аэродинамической формы сложенными в стопку лопастями. Действительно, какими бы плоскими и тонкими не были лопасти, сложенные в стопку, они приобретают толщину и лобовое сопротивление. Но при сильном ветре, а лопасти складываются в стопку только при сильном ветре, скорость движения кончика лопасти превышает 100 км/ч. Пора подумать об ограничении скорости вращения лопастей, чтобы  избежать разрушения ветроустановки. Так что потеря аэродинамической формы в этом случае даже полезна. Лопасти с регулируемым углом атаки для защиты от ураганного ветра тоже устанавливаются под углом, слегка тормозящим вращение.

Изобретательские и технические вопросы решены. Теперь необходимы испытания. Реальность такова, что без испытаний потенциальные инвесторы разговаривать не будут вообще. Но для проведения испытаний нужны место, время и деньги. Сейчас, используя патентное право, есть шанс занять прочное положение в мире в ветроэнергетическом машиностроении и если его упустить, Россия, как это уже часто бывало, будет покупать за рубежом продукты собственных изобретений.

Автор изобретения винт-турбина WO 2007/097659