«В настоящее время приходит понимание того, что стремление к быстроходности ветроколеса приводит к нежелательным экологическим последствиям.»
Горожане бегут летом от шума отдохнуть в деревне. А если и там будут стоять монстры, издающие шум «проезжающего автомобиля», как утешительно пишут их изготовители, то где же человек сможет дать отдохнуть своей психике. Да, тихоходные колеса менее производительны, но зато не требуют столь высокой балансировки, не так критичны к качеству исполнения лопастей. Для тихоходного ветряка мало разницы, какие у него лопасти: плоские доски или совершенные аэродинамические профили. Тихоходные ветряки не требуют больших наукоемких исследований, они проще в производстве, дешевле. Т.е. все показатели подходят для ограбленной России. КИЭВ современного скоростного ветряка больше тихоходного многолопастного процентов на 50. Это значит, что диаметр тихохода должен быть больше на 25% чем у трехлопастного быстрохода. То есть быстроход с тремя идеальными лопастями диаметром 10 метров и тихоход с дюжиной лопастей в виде плоских досок или желобков диаметром 12,5 метров дадут одну и ту же энергию. А сложность изготовления уменьшится радикально.
«Среднегодовая скорость ветра от 3 до 6 м/сек на большей части России. Статистически ветры с малой скоростью от 3 до 5м/сек дуют намного чаще, чем с высокой от 10 до 20 м/сек.«
Для большей части территории России все ветра укладываются в диапазон 0 – 12 м/c. Редкие случаи, когда ветер превышает 12 м/с можно вообще не принимать в расчет при определении получаемой от ветряка энергии. При этом ветре уже должна срабатывать штормовая защита. Нет особого смысла рисковать. Подчеркну, я говорю о ветронедостаточных районах России, а таких обитаемых районов в России большинство.
«Быстроходные ветряки ориентируются в основном на ветер от 5 до 8 м/сек.«
Нет. Для России от 4 до 12 м/c. В этом диапазоне ветер дает 95% всей энергии. За номинальную мощность для России можно принимать при ориентировочных расчетах скорость 5 м/с. Это не среднегодовая скорость, а скорость, на которую должен быть рассчитан бытовой ветряк, для получения максимума мощности. Если научить ветряк работать при 3м/с, то он даст дополнительно еще 4% энергии. Нужно ли это? Может проще увеличить диаметр на 2%? Дальнейшие усилия ради оставшегося 1% вообще бессмысленны. То есть реклама ветряков, начинающих работать при 2 м/с, мягко говоря, лукавит, забывая сказать, что потребитель от этого ничего не получит. Безусловно, есть потребности, где количество рабочих часов выходит на первое место: водопой скота, полив растений. Там да. Ветряк без аккумуляторов, работающий при ветре 2 м/с, спасет хозяйство от гибели.
«Стремление к быстроходности ветряка связано со стремлением обойтись без мультипликатора, повышающего обороты на генераторе и связанных с этим механических потерь.«
Есть еще веские причины для повышения быстроходности. Это:
- Рост КИЭВ с 0,3 до 0,43.
- Уменьшение числа крыльев с одного – двух десятков у тихоходных ветряков, до трех (не десятков, а трех штук) у быстроходных. А, следовательно, уменьшение парусности, упрощение механизма поворота крыльев, вывода их из-под шторма.
- Уменьшение размеров и веса вала, мультипликатора, генератора, всей гондолы, мачты. Хотя этот пункт и не так однозначен.
«Барабанная схема — отстой! есть конечно случаи, когда вертикальная ось вращения перевешивает все остальные недостатки, но в целом будущее за пропеллерами — покажите мне промышленный современный большой ветряк на «бочках»..? с пропеллерного ветродвижителя хотя бы реально снять порядка 50 — 54 процента энергии потока, при теоретическом максимуме в 59 процент…с бочек будешь неимоверно рад уже при 30 процентах…«
Теоретический максимум, равный 0,593, вывел Жуковский Н.Е. в 1920 году. Это максимальная мощность, которую можно получить от установки, помещенной в неограниченный поток. Неважно, в воздух или в воду. Статья Жуковского «Ветряная мельница типа НЕЖ. Статья третья.» была посвящена пропеллерным ветрякам, но данный теоретический вывод сделан безотносительно к какой-либо конкретной конструкции. То есть 0,593 – это не максимальный КИЭВ пропеллера, а максимальный КИЭВ некой еще не изобретенной идеальной ветро- или гидроустановки. Максимальный КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) достигнутый с помощью пропеллера равен примерно 0,43. Причины недобора до 0,593 можно посмотреть в той же статье. Так что пропеллер не является идеальным улавливателем энергии свободного потока. Но из всех существующих конструкций он имеет максимальный КИЭВ на настоящий момент, потому что физика его работы близка к идеальному ветряку.
А вот различные виндроторы, карусельные установки по сути дела эквивалентны парусу, который в рабочий ход движется, увлекаемый ветром, а на обратном пути с минимальными потерями возвращается назад. Так вот, парус имеет предел КИЭВ примерно в 0,197. Почему примерно? Потому, что теоретическое значение равно 0,147 умноженное на коэффициент лобового сопротивления. А коэффициент лобового сопротивления максимален у «тазика» отверстием навстречу потоку.
В интернете часто можно встретить утверждения, что парус — самая совершенная ветровая машина. Нет, это не так. Предел паруса — 0,197. Карусельные установки из-за потерь на обратном пути обеспечивают КИЭВ около 0,15, а виндроторы около 0,15. Самая совершенная ветровая машина на настоящий момент – это пропеллер.
Может ли тогда парус тягаться с пропеллером? Как ни странно – может. Пропеллер имеет в 3 раза лучший КИЭВ, чем у парусных установок. Но это если говорить об идеальных пропеллерах. Если же говорить об самодельных пропеллерах, то их КИЭВ достигает 0,3 – 0,35 при тщательном выполнении. (При плохом 0,2, а то и 0,1) И разница по КИЭВ между парусными и пропеллерными установками сокращается до 2 раз.
Если взять 2 метровый в диаметре пропеллер, то у него сложность конструкции должна быть точно такая же, как и у большого ветряка: слежение за ветром, защита от резких поворотов по ветру, ограничители максимальной скорости вращения, узел защиты от шторма. То есть, пропеллерный ветряк любого диаметра состоит из десятков, а то и сотен деталей. Парусная установка такой же мощности имеет два –три паруса размером 3 на 3 метра каждый и вертикальную ось, насаженную на тихоходный генератор, оттяжки от верхнего подшипника. Пропеллерный ветряк сможет сделать далеко не каждый самодельщик, а парусную установку – многие, причем КИЭВ парусной установки от кустарного изготовления не пострадает особенно. Сколотить виндротор из фанеры и брусков – такая задача по плечу человеку владеющему только молотком. Парусные установки – тихоходны, поэтому аэродинамическое совершенство форм здесь не так принципиально. А самое главное, что надо сказать, современные быстроходные пропеллеры очень шумны. Постепенно приходит понимание, что шум – такая же экологическая опасность, как и разные другие. Поэтому, по крайней мере рядом с населенными пунктами, ветряки будут ставить тихоходные (они меньше шумят). Пропеллеры будут медленными, многолопастными, с КИЭВ около 0,3, поэтому парусные установки вполне могут с ними посоревноваться.
«A что если вообще попробовать не преобразовывать поток во вращение, а в лоб заставить ветер давить на некий щит, отклоняя его в качательном движении, причем в экстремуме отклонения с помощью неких механических ухищрений свести его площадь к нулю (в идеале) — типа щит-жалюзи открыть или сложить щит «в гармошку» — и пусть опять же некая упругая сила возвернет его взад в исходное положение. А уж насчет кпд — сермяжная правда подсказывает, что тупее, чем щит-крыло-жалюзи, нет ничего, и давить он будет будь здоров как…«
Да, сермяжная правда толкает множество изобретателей на путь парусных установок. Карусельные и качающиеся установки вновь и вновь изобретаются новичками. Плохого в этом ничего нет. Нужно только не опускать руки, узнав, что максимальный КИЭВ парусной установки составляет 0,197. Второе, что надо знать, то что парусная установка дает максимальный КИЭВ, когда парус движется со скоростью в одну треть от скорости ветра. Поэтому качающаяся установка должна иметь автоматический привод для слежения за скоростью качающегося щита. Автоматика сейчас очень дешева. Это реальная задача. Ну и третье, что надо учитывать, это то, что на обратном пути щит энергию не вырабатывает, а время на обратный путь тратит. Поэтому общий КИЭВ надо уменьшить в два раза. Можно принудительно уменьшать время обратного хода для повышения КИЭВ. Можно весь щит разделить на множество возвратно-поступательно колеблющихся элементов, чтобы не качать всю массивную конструкцию. Т.е. речь идет уже больше о практическом проектировании, просчитывании оптимального варианта. Хорошо, если в результате всех ухищрений удастся догнать КИЭВ до 0,15. В три раза меньше чем у пропеллера.
«Люди во всем мире ломают голову, как уйти от возвратно-поступательного движения, здесь же все наоборот. Как ни крути — а потери энергии при этом неизбежны. Несмотря на кажущуюся простоту, эта установка чрезвычайно сложна в настройке и регулировке. Согласен, в неизменном воздушном потоке можно загнать ее в стабильный резонанс, но это идеальные условия. Рыскающий, с порывами ветер с этой установкой дружить не будет, к тому же большие сомнения вызывает ее бурезащита (разве что крыло складное).«
История техники показывает, что коммерческого успеха добивается тот, кто преодолевает казалось бы неимоверные трудности. А бурезащиту можно выполнить очень просто. Установка просто ложится на землю. Главное достоинство таких установок в их бесшумности. Качающиеся установки привлекательны еще и тем, что всю механику можно построить на элементах гидропривода, которые стандартизированы. Комбинируй готовые элементы, оснащай компьютерным управлением. Изготавливать придется только сам щит, да фундамент. В пропеллерном ветряке все детали сложны и нестандартны.
«А если рядом с источником инфразвука поставить генератор инфразвука работающий в противофазе? Или это тоже невозможно?«
Хорошее предложение. Лет 30 назад таким образом обеззвучили сильно шумящую трубу в котельной. Наставили по периметру трубы дюжину динамиков излучателями наружу а к ним через усилители столько же микрофонов направленных к центру трубы. Самое главное добиться, чтобы система не начала генерировать, не самовозбудилась. Но, добились же.
«Большие лопасти, имеют нетривиальную внутреннюю пространственную структуру. И вес конструкции ротора пропоционален КУБУ его диаметра.»
Мощность пропеллерного ветряка возрастает пропорционально квадрату его диаметра, а стоимость по утверждению Ветчинкина В.П., одного из советских конструкторов ветродвигателей, возрастает пропорционально кубу диаметра. Этот автор заслуживает доверия. Поэтому монстроподобные ветряки, производимые в Германии, допустим, — это в значительной мере вакханалия чиновников, тратящих не свои, государственные, деньги, а не требование целесообразности.
«Дело в том, что и «обычные», построенные по традиционным схемам ветрогенераторы, страдают этим же: проблемой автозапуска на слабом ветре. Особенно с малым числом лопастей и фиксированным углом лопасти, с постоянным уголом между хордой конкретного сечения лопасти и плоскостью вращения ротора. Лопасть оптимизированна на конкретные обороты ротора и под некий средний ветер. Поэтому и популярны схемы с трехлопастными роторами. Не слишком сложно, и обороты приемлемые. Хотя двух или однолопастные, при том же диаметре ротора и при той же скорости ветра, более скоростные.»
Трехлопастные ветряки по сравнению с двухлопастными имеют меньшую частоту вращения, а это невыгодно. Приходится применять мультипликатор, т.е. механический увеличитель числа оборотов или более дорогой тихоходный генератор. Но на такое усложнение приходится идти и причина здесь не в страгивании с места при слабом ветре. По крайней мере, не главная причина. Представьте двулопастный ветряк, поворачивающийся вслед за ветром. Когда лопасти вертикальны, то ему поворачиваться легко. Когда лопасти горизонтальны – намного тяжелее, т.к. возрастает момент инерции. Возьмите длинный брусок. Держа его вертикально, вы легко повернетесь, но стоит его опустить горизонтально, он станет намного «тяжелей» при повороте. Поэтому поворот идет рывками с двойной частотой вращения лопастей. Это мы рассмотрели статику. Кроме того имеется еще и динамика вращательного движения. На больших оборотах возрастает роль гироскопических сил. Поэтому в сумме этих влияний там где двулопастный ветряк трясется и попадает в резонанс с мачтой, то трехлопастный ветряк степенно и безвибрационно работает.
