Інноваційний вітроротор Альбатрос розроблений у Чебоксарах.
Перспектива малої вітроенергетики – крила замість лопатей
Сьогодні у світі широко використовуються вітроустановки класичної схеми – з горизонтальною віссю обертання лопатей. Ця схема краще за інших вивчена і відпрацьована у виробництві. Однак у неї, крім відомих позитивних якостей, є і суттєві принципові недоліки, усунути які немає можливості. Наприклад, гвинт у турбінах такого типу найбільш ефективно працює при великих швидкостях вітру понад 10 м/с. Тим більше що більшість заселеної території – як в Укаїни, і у інших країнах – має низький вітровий потенціал: середньорічна швидкість вітру, зазвичай, становить від 3 до 4 м/с. Крім того, робота таких установок залежить від напрямку вітру, що змушує конструкторів застосовувати різні пристрої, що відстежують вітер і розвертають вітроголовку у напрямку потоку. Під час повороту ефективність вітрогенератора значно знижується.
Вертикальні йдуть
Не можна сказати, що нічого не робиться для більш ефективного, дешевого та екологічно безпечного використання енергії вітру. Створено багато досвідчених установок, що серійно випускаються, головним чином для малої вітроенергетики. Тут розробники пропонують найрізноманітніші концепції, які докорінно відрізняються від класичної. Серед них перспективними вважаються вітрогенератори з вертикальною віссю обертання, що мають такі переваги, як малошумність, незалежність від напряму вітру та простота конструкції. Крім цього, деякі з них є тихохідними. Так, відомий ротор Саввоніуса працює практично безшумно та запускає вітрогенератор при швидкості вітру від 1,5 м/с. Однак у подібних установок є й серйозні недоліки, порівняно зкласичними. Так, ротори Саввоніуса мають коефіцієнт використання енергії вітру (КІЕВ) всього 10-15%, тоді як у класичних вітрогенераторів КІЕВ може досягати 45-47% (щоправда, тільки при високих швидкостях вітру - понад 12 м/с).
Серед вертикально орієнтованих найперспективнішим вважається ротор Дар'ї, названий на прізвище його французького винахідника. Енергію вітру у ньому перетворять аеродинамічні поверхні симетричного профілю. По суті це крила прямокутної форми. При обдуванні вітром під певним кутом до поверхні крила створюють підйомну силу, яка через траверси передає осі крутний момент. Коли крила розганяються, в роботу включається додатковий потік повітря, що набігає. Ефективність такого ротора зараз у кращих системах сягає 43–45%. Однак і тут є значні недоліки. Головний із них – поганий самозапуск. Ротору Дар'ї для старту потрібна швидкість вітру близько 4 м/с. Крім того, номінальний режим роботи таких генераторів посідає досить високі швидкості вітру – 9–10 м/с.
Колектив ТОВ «Енергоінновації» (Чебоксари) розробив та виготовив дослідний зразок вітроротора принципово нового типу, зумівши усунути ряд проблем та позбутися названих недоліків вітророторів – як класичних, так і вертикально орієнтованих. Установка названа «Альбатросом» – як чудовий птах, який серед пернатих має найдовші крила і більшу частину свого життя проводить у польоті.
Прототип "Альбатроса" на випробуваннях на даху будівлі
Головна відмінність чебоксарської розробки від відомих аналогів – наявність засобів механізації крила як на літаках. На "Альбатросі" встановлені керовані щілинні закрилки Фаулера. Фахівцям з аеродинаміки відомо,що щілинні керовані закрилки дозволяють збільшити підйомну силу крила в 16 рази. Вони також допомагають покращити обтікання крила, змістивши точку зриву потоку до кінця. Завдяки механізації інженери компанії змогли реалізувати адаптивне керування крилами - вони самі підлаштовуються під вітер, автоматично змінюючи і кут атаки, і профіль крила. Останній також суттєво покращено. Так, якщо в роторі Дар'я профіль крила має солідне потовщення, для якого потрібні значні матеріаловитрати на виробництві і яке збільшує масу крила, то тут профіль крила майже вчетверо тонший, саме воно простіше у виготовленні, легше і, як наслідок, швидкохідніше. Крила виготовляються зі склопластику, а тому не схильні до зледеніння, що особливо актуально для експлуатації в північних районах.
Необхідна підйомна сила на старті та розгоні досягається за допомогою простої (на відміну від літакової) системи механізації крила, що забезпечує автоматичне, адаптивне керування його конфігурацією та кутом атаки. Особливість розробки та ноу-хау конструкторів – саме система механізації крил. Завдяки ній "Альбатрос" демонструє унікальні технічні характеристики. Так, прототип, що діє, запускається при швидкості вітру всього 0,7 м/с (з підключеним навантаженням) і забезпечує стійкий заряд акумулятора при всього 1,5 м/с. Номінальна швидкість вітру дорівнює 5 м/с, гранична – понад 20 м/с (максимально зафіксована у районі випробувань), КИЕВ – 50%. При цьому сама вітроустановка вийшла безшумною в роботі, що дозволяє монтувати її на дахах будинків або опорах в безпосередній близькості до житлових приміщень. Обертання вітроротора прямо передається на тихохідний електричний генератор (не потрібен мультиплікатор), що значно спрощує конструкцію.
З яйця науки
Альбатрос має футуристичний вигляд, але це не плід фантазії дизайнерів, а результат глибоких теоретичних та експериментальних досліджень. Вже понад три роки фахівці ТОВ «Енергоінновації» спільно з вченими Чебоксарського політехнічного інституту (філія Московського державного машинобудівного університету) проводять дослідження в галузі вітро- та гідроенергетики. Спочатку вони поміщали прості настільні моделі у потік повітря від вентилятора. Після чого в гідропотоках на малих швидкостях докладно вивчили картину обтікання ротора, що обертається. Потім виготовляли більші моделі, які випробовували в аеродинамічній трубі та буксируванням на автомобілі.
Під час аналізу експериментальних даних народжувалися нові ідеї, покращувалися характеристики ротора. Наприклад, була запропонована двоярусна схема із закріпленням крил у певному порядку, щоб повніше використовувати потік вітру, розроблений простий та ефективний спосіб керування кутами атаки крил та закрилками. У результаті було зроблено зразок вітроенергетичної установки потужністю 1 кВт, який зараз проходить дослідну експлуатацію на даху одного з корпусів Чуваського державного університету (див. фото).
У процесі дослідної експлуатації конструктори змінили схему кріплення крил, підвищивши стійкість до вітру. "Альбатросу" на даху довелося зазнати поривів вітру до 25 м/с. З'ясувалося, що конструкція не вимагає зупинки при сильних поривах вітру для запобігання поломці. Навпаки, бажано щоб ротор продовжував обертання. Він не розганяється вище за критичні звороти, оскільки закрилки починають відігравати роль аеродинамічного гальма.
Попередні результати дослідної експлуатації показали, що вже за невеликих швидкостей вітру (від 1,5 м/с) наРоторі «Альбатроса» виникає великий момент, що крутить. Отже, для потреб споживачів можна буде ефективно використовувати малі та середні вітри, які характерні для основної частини території України.
Для перевірки довговічності установки будуть потрібні її комплексні випробування. Проте вже зараз можна сказати, що обрані конструкторські рішення дозволять забезпечити працездатність «Альбатроса» протягом принаймні 10 років.
Після закінчення випробувань дослідного зразка передбачається організувати виробництво цілої лінійки «Альбатросів» із потужностями від 1,5 до, у перспективі, 100 кВт. Однак до початку серійного виробництва необхідно вирішити задачу комплектації установок тихохідними (до 100 об/хв) електрогенераторами. Справа в тому, що подібні генератори не випускаються серійно. Конструктори тихохідних вітроустановок змушені самостійно виготовляти генератори для своїх потреб або пристосовувати наявні. На щастя, питання вже вирішується. У ТОВ «Ной» (Москва) зайнялися розробкою та підготовкою до виробництва цілої лінійки генераторів спеціально для «Альбатросів».
Створену в ТОВ «Енергоінновації» вітроустановку можна використовувати замість турбін традиційного типу як у районах з низьким вітропотенціалом, так і там, де немає нестачі вітрів. "Альбатрос" повинен скрізь вигравати і за вартістю, і за ефективністю.