Эволюция ветропарков: от гигантских лопастей до карманных станций
За несколько тысяч лет ветряные мельницы не раз меняли свой облик, и нынешние «ветряки» с гигантскими лопастями, к которым все привыкли, тоже скоро могут стать прошлым. Ученые и инженеры продолжают экспериментировать с размерами, формой и содержанием. «Моя энергия» разбиралась, как меняется ветроэнергетика.
Первые ветряки, как свидетельствуют находки археологов, имели вертикальную ось вращения. Одни из самых древних были найдены в Египте и Китае, а также на территории современного Ирана — там ученые обнаружили остатки каменных ветряных мельниц, построенных в 2–1 веках до н.э. Позже там были найдены более совершенные крыльчатые установки с горизонтальной осью вращения. Именно такие конструкции используются и сейчас в большинстве ветряных электростанций.
Правда, в наши дни ветряки делают уже не из камня или дерева, а из стеклопластика. В этом смысле прогресс не ушел далеко — те же материалы применялись еще с середины прошлого века в Европе, когда начался массовый возврат к ветряным станциям.
По мере развития зеленой энергетики ветряки обзаводились более длинными лопастями, а их основание, или столб, попросту говоря, становилось компактнее.
Вдоль и поперек
Вертикальные турбины (в них ось вращения перпендикулярна потоку воздуха) не канули в Лету. Современный вариант такой турбины предложил в 1922 году финский инженер Сигурд Йоханнес Савониус. В роторе Савониуса лопасти выполнены в виде цилиндров. Они используются для преобразования силы ветра в крутящий момент на вращающемся валу. Такие турбины применяют, когда стоимость или надежность намного важнее эффективности. Например, сейчас в Европе они активно используются для анимации рекламных вывесок.
В 1931 году другой вид вертикально-осевых роторов изобрел Жорж Дарье, французский авиаконструктор. Его устройство состоит из аэродинамических крыльев, закрепленных на балках по радиусу. В отдельных случаях турбины Дарье даже превосходят горизонтальных «собратьев» по коэффициенту использования энергии ветра.
Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения встречаются до сих пор. Современные потомки турбины Дарье производятся, например, в Петербурге и Ленобласти и могут напоминать фантазийный цветок. Двухуровневая турбина имеет по три вертикальных лопасти. При ветре скоростью 6 м/с ветрогенератор вырабатывает 500 Ватт на выходе.
Чем дальше развивались «ветряки», тем оригинальнее становились их формы. Сегодня распространен геликоидный ротор, или ротор Горлова, с причудливой конфигурацией лопастей. Они имеют форму геликоидной кривой, что придает конструкции более равномерное вращение и снижает нагрузки на опору.
Благодаря изгибу лопастей ротора по диагонали он быстро набирает скорость. Внешне такие ВЭС могут напоминать гигантские цветы, колесо или обозрения или торшеры.
С развитием зеленой энергетики ветропарки активно мигрируют в прибрежные зоны, где царит раздолье ветров. Появились плавучие станции, и это всегда грандиозное зрелище: гигантские столбы утопают в гуще воды. Одним из первых больших береговых ВЭС стал ветропарк в Шотландии, построенный в 2015 году. Объект с пятью турбинами по 6 МВт каждая «поселили» примерно в 25 км от берега. В режиме максимальной эффективности объект может обеспечить электричеством 20 000 домов. Станция Hywind Scotland способна пережить экстремальный шторм. Ветряки выстояли перед ураганом Офелия, когда скорость ветра достигала 125 км/ч.
ВЭС будущего
Вместе с тем огромные лопасти как основной элемент ВЭС уже успели вызвать беспокойство биологов и экологов. Дело в том, что агрегаты представляют угрозу для птиц и окружающей среды из-за сложностей с утилизацией. Авангардные проекты не заставили себя долго ждать. Известный производитель оборудования для ВЭС, испанская компания Vortex Bladeless, создала конструкцию безлопастной станции в виде столба. Он вибрирует от колебаний ветра. Если взглянуть на ВЭС со стороны, она может напомнить популярный автомобильный аксессуар — собаку с качающейся головой. «Турбина» генерирует чистую электроэнергию благодаря аэродинамике вихревого потока.
Время не пощадило не только форму, но и габариты ВЭС. Вслед за гигантоманией ветряков начался обратный процесс — уже созданы «походные» мини-ВЭС, которые могут быть пригодиться, например, путешественникам. Карманный ветропарк WaterLily имеет вращающиеся лопасти и мини-генератор с герметично закрытой катушкой индуктивности. Когда лопасти крутятся, в катушке зарождается электричество. Особенность турбины в том, что она может вырабатывать энергию как от воды, так и от ветра. Мощности переносной ВЭС хватит, чтобы зарядить аккумулятор камеры GoPro, смартфон или рацию.