Для построения ветряных турбин применяются знания из различных дисциплин, но самая важная из них (и ее не до конца понимают даже «профессионалы» в области ветровых турбин) – это гидроаэродинамика.  Понимание физических законов, на основе которых работают ветряки, поможет сделать правильный выбор при покупке турбин.

 

Уравнение сохранения энергии

Задача ветрогенератора – преобразовать кинетическую энергию (энергию движущихся масс воздуха) в электрическую. Преобразование энергии – процесс, который применяется во всех машинах, поскольку они подчиняются закону сохранения энергии. Согласно нему, энергия ниоткуда не создается и никуда не исчезает, но лишь преобразуется из одного вида в другой. К примеру, в автомобиле преобразуется химическая энергия топлива (или электричества в батареях электромобиля) в кинетическую энергию. За счет этой энергии машина едет. Ветряк работает по этому же принципу. В нём кинетическая энергия ветра преобразуется в электрическую энергию.

Количество кинетической энергии любой движущейся массы определяется уравнением:

Кинетическая энергия = 1/2 × масса × скорость2

Применительно к ветрякам, скорость в уравнении – это скорость ветра. В качестве массы принимается масса какого-либо объема воздуха. Для примера рассмотрим движение воздуха через открытое окно. На рисунке показано, как зависит объем воздуха, проходящего через окно, от площади окна, скорости ветра и времени. Так, мы видим, что чем больше площадь окна, больше скорость ветра и чем дольше окно остается открытым, тем больше воздуха пройдет через окно.

Масса воздуха, прошедшего через окно, определяется как произведение объема воздуха на его плотность. Учитывая всё вышесказанное, напишем уравнение энергии ветра:

Кинетическая энергия = 1/2 × плотность воздуха × площадь × скорость ветра3 × время

Мощность ветра

Задачей ветряной электростанции является выработка энергии, но обычно, при описании размеров ветряков, говорят об их мощности. Взаимосвязь между мощностью и энергией проста: энергия – это мощность, умноженная на время. Именно поэтому мощность измеряется в Ваттах, а энергия – в Ватт-часах. Широкая публика часто не понимает терминов «мощность» и «энергия» и путает их в бытовых разговорах, но с технической точки зрения важно знать различие между ними. 

Если нам нужно получить мощность ветра, нужно разделить энергию на время. Таким образом, получаем уравнение мощности ветра, проходящего через какую-либо площадь:

Pветра = 1/2 × плотность воздуха × площадь × скорость ветра3

Как мы видим, мощность ветра зависит от трёх переменных. Первая – это плотность воздуха, которая не зависит от нас и постоянна. Вторая переменная – площадь продува, то есть проекция площади, перпендикулярной ветру, который дует на ветряк.  Из уравнения мы можем сделать вывод: при прочих равных, чем больше площадь продува, тем больше генерируемая мощность.

Третья переменная (и ее нужно учитывать при выборе места установки ветряка) – это скорость ветра. В уравнении эта переменная возведена в куб, поэтому даже незначительные изменения скорости ветра вызывают большие изменения мощности. Повышение скорости ветра на 26% (с 10 до 12,6 миль/час) приводит к двойному росту энергии; снижение ветра на 20% (с 10 до 8 миль/час) снижает вырабатываемую энергию наполовину. Вот почему крайне важно ставить турбину на высокую башню, где дует сильный ветер.

Описание работы ветряка

Поскольку ветряк преобразует кинетическую энергию ветра, он не расходует воздушные массы (масса расходуется только при ядерных реакциях), но «расходует» скорость ветра. Другими словами, ветер дует в турбину с одной скоростью, а через турбину проходит уже с другой, меньшей скоростью. Итак, принцип извлечения энергии ветряком из ветра прост: ветряк просто снижает скорость ветра. Количество энергии, извлекаемой турбиной из ветра, зависит от разницы скоростей ветра на входе в турбину и выходе из нее. Это основная функция ветряной турбины, и в некоторых турбинах эта функция реализована лучше, чем в других.

КПД и ограничения ветряков

Извлечь всю энергию ветра невозможно, и ни одна турбина не способна получать больше энергии, чем несёт в себе ветер. Если производитель заявляет, что его турбина может делать это (т.е. получать энергии больше, чем несёт в себе ветер), такого производителя следует избегать, поскольку ни один ветряк не способен снизить скорость ветра до значений меньше нуля.

Если бы какая-либо турбина могла извлекать всю энергию ветра, то есть останавливать ветер и изымать из него всю энергию, о такой турбине можно было бы сказать, что её КПД равен 100%. Однако, если бы это было возможно, любая турбина останавливала бы ветер, и не было бы движения воздушных масс, из которых можно было бы извлекать энергию! В хорошей турбине должен быть баланс, то есть она должна быть сделана так, чтобы, с одной стороны, извлекать максимум энергии из воздуха, с другой – пропускать часть потоков воздуха, чтобы они сохраняли свою и энергию и из них в дальнейшем можно было ещё извлекать энергию.

КПД определяется как соотношение выходной и входной мощностей. Для ветряков аэродинамический КПД называют коэффициентом мощности и обозначают Cp. Поэтому основное уравнение для выходной мощности турбины будет выглядеть так:

Pвых= 1/2 × плотность воздуха × площадь × скорость ветра3 × Cp

Всем мы знаем, что Ср не может быть равен 100%. Но всё-таки, какого максимального значения коэффициента можно добиться? В 1919 году немецкий учёный Альберт Бец взял приведенные выше уравнения для мощности ветра и с их помощью определил, сколько мощности гипотетическая «идеальная» турбина может извлечь из ветра. В результате он пришел к выводу, который сейчас называют законом или пределом Беца. Согласно ему, если скорость ветра снижается на 2/3 (выходная скорость = 1/3 от входной), ветряк достигает своего теоретически возможного КПД Cр-max, который равен 59,3%

Необходимо отметить, что закон Беца является следствием тех основных уравнений, а не каких-либо допущений в отношении типа турбины. Следовательно, предел Беца относится не к какому-то отдельному типу или конструкции турбины, как некоторые люди ошибочно думают. Предел Беца – это физический предел, который действует в отношении всех ветряков.

Виды ветряных турбин

В реальном мире ни один ветряк не может достичь предела Беца, не говоря уже о его превышении. Однако среди турбин есть и свои лидеры. Что же это за турбины, и как они работают с таким большим КПД?

В течение тысяч лет люди стремились обуздать силу ветра, поэтому неудивительно, что на протяжении столетий инженеры опробовали уже практически все виды ветряков. Среди наиболее распространенных видов конструкций можно отметить турбины Савониуса, Дарье и голландскую ветряную мельницу, американский ветряк с несколькими лопастями (водолив) и современные ветряки пропеллерного типа. КПД этих машин рассчитывался теоретически и подтверждался на практике.

Самый большой КПД имеет ветряк с пропеллерными лопастями, поэтому очевидно, что в данный момент это самый распространенный на рынке вид ветряка. Большой КПД турбин вкупе с большой площадью круга, покрываемого лопастями при движении (это основной параметр, который можно изменять) делают такие ветряки весьма привлекательными в исполнении.

«Прорывы» и «новые» разработки

В обществе есть расхожий миф о том, что ветряная энергия – это новая область инноваций. Благодаря этому ошибочному суждению люди часто недоумевают, почему нельзя удвоить (или повысить еще больше) КПД «старых» пропеллерных ветряков. Если честно, это просто невозможно. Имея аэродинамическое качество 45%, современные пропеллерные ветряки уже достигли предела Беца более чем на 75%, и это оставляет весьма немного места для «прорывов» в аэродинамическом качестве ветряных турбин.  Зная гидроаэродинамику ветряков, мы можем сказать, почему самые популярные турбины современности стали таковыми.

На первый взгляд может показаться парадоксальным тот факт, что пропеллерные турбины могут обеспечить такой большой КПД. В конце концов, через эти три (как правило) лопасти проходит так много ветра! Как же ветер может их вообще вращать? Может, надо поставить больше лопастей? Да, это выглядит логичным, и многие конструкторы ставят на свои ветряки по многу лопастей. Но эта точка зрения не учитывает законы гидроаэродинамики. Не стоит забывать, что ветер не только должен дуть на лопасти и вращать их, но и проходить сквозь лопасти, сохраняя часть энергии. И оказывается, что чем меньше лопастей и чем они тоньше, тем эта задача выполняется лучше. В американском лопастном ветряке задача накачки воды выполняется отлично, но КПД при этом невелик, да это от него и не требуется.

Любители апгрейда пытаются повысить КПД ветряка, увеличив куб скорости ветра в уравнении энергии за счет подачи ветра через короба или воздуховоды.  Это то же самое, если надеть насадку на шланг – при этом мощный и объемный поток воды превратится в тонкую и мощную струю, бьющую из шланга. Но ветер не подается по шлангам, и поэтому ему совсем необязательно проходить через "насадки" или "форсунки". На самом же деле, поскольку ветряк, стоящий после "насадки", старается снизить скорость ветра (не забываем – это его работа), этот ветряк выступает для ветра лишь как препятствие. Ветер двигается по пути меньшего сопротивления – он обтекает лопасти и не проходит сквозь них. Несмотря на то, что какой-нибудь воздуховод или канал всё же позволит «собрать» часть ветра на площади лопастей, лучше всё же просто поставить более длинные лопасти.

Что же касается ветряков Савониуса и Дарье, можно сказать, что у них одним из больших плюсов является вертикальная ось, поскольку она позволяет вращать турбину ветром в любом направлении. Да, их бесспорным преимуществом является простота конструкции и отсутствие вращающихся частей для ориентации ветряка по ветру, но на этом преимущества и заканчиваются. В каждый отдельный момент времени ветер дует только в одном направлении. Ветер всё же меняет своё направление, и иногда весьма неожиданно, однако для того, чтобы турбина стала вращаться в другом направлении ввиду изменившегося направления ветра, турбине нужно какое-то время. Таким ветрякам тоже нужно перестраиваться, хоть это и не так заметно, как у пропеллерного ротора, самостоятельно перемещающегося по направлению ветра. Строго говоря, заявления о том, что ветряки с вертикальными осями лучше подходят для установки на невысоких башнях, не более чем миф. Какой бы ни была конструкция ветряка, его КПД увеличивается при постоянном потоке воздуха, и это еще один плюс установки турбин на высоких башнях, вне зависимости от типа турбин.

Законы физики

Итак, мы видим, что основы физики ветроэнергетики стоит учитывать при оценке характеристик будущих турбин. Более всего залуживают внимания два аспекта:

- все ветряки изымают энергию движущихся воздушных масс, снижая их скорость, и те ветряки, в которых баланс между снижением скорости ветра и сохранением его движения выполняется лучше всего, обладают бОльшим КПД, вплоть до предела Беца 59,3%.

В основных уравнениях участвуют две переменных, которые мы можем в какой-то степени изменять: это площадь продува (чем больше эта площадь, тем больше энергии ветра она задерживает) и скорости ветра (эта переменная играет большую роль, поскольку она в уравнении возведена в куб). При выборе типа турбины и места её установки следует учитывать эти параметры.