Парашютный ветряк  

 

В настоящее время промышленные ветряки выпускаются в подавляющем большинстве пропеллерного типа. Небольшая доля рынка принадлежит ветрякам типа Дарье. Остальные типы ветряков по разным причинам в настоящее время использовать экономически неоправданно. Среди неиспользуемых типов находятся и парусные ветряки. Их недостатки – малый КПД и сложность управления парусом – не оставляли для них перспектив практического применения. Значительное удешевление промышленной автоматики в последние годы, и создание современных долговечных материалов, пригодных для изготовления парусов, открывают возможность применения парусных ветряков в современных промышленных ветроустановках.

 

Принцип работы парусного ветряка.

 

На вал генератора намотан трос, соединенный с парусом. Парус, увлекаемый ветром, разматывает трос и заставляет вращаться вал генератора. Когда выбрана вся длина троса, парус переводится в положение минимального аэродинамического сопротивления и подтягивается назад с помощью генератора, работающего в режиме электродвигателя.

 

Рис. 1 Принцип работы парашютного ветрякка

 

Сила, действующая на парус равна:

 

где:

            F_x – сила сопротивления;

            c_x – коэффициент лобового сопротивления (для вогнутых поверхностей c_x = 1,3);

            ρ – плотность воздуха (1,25 кг/м³);

            S – площадь паруса;

            V_r – относительная скорость (скорость набегания потока на парус).

 

Максимальную мощность, как показывает анализ, можно получить от паруса, который движется со скоростью равной 1/3 скорости ветра. При этом скорость набегания равна 2/3 скорости ветра. Коэффициент использования энергии ветра в такой установке может достигать максимальной величины

 

 

Для парашюта, имеющего C_x = 1,3, КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) равен 0,19. У ветряков пропеллерного типа КИЭВ достигает 0,43. Некоторое время требуется на возврат паруса в исходную точку. Возвращать парус в исходное положение можно, подтягивая его за верхний край к генератору, отпустив стропы, прикрепленные к нижнему краю паруса. Парашют при этом плоским полотнищем увлекается за канатом и имеет малое аэродинамическое сопротивление. При скорости возврата,  равной трехкратной скорости ветра, суммарный КИЭВ полного цикла будет около  0,15, в три раза меньше, чем у пропеллерного ветряка. Чтобы обеспечить подъем парашюта в воздух достаточно внутрь парашюта поместить геливый шар имеющий диаметр примерно в два раза меньше, чем у парашюта. Применение гелиевого шара позволит предотвратить спутывание строп при малой скорости ветра и при обратном ходе парашюта.

 

Рис. 2 Силы, действующие на паршютный ветряк диаметром 10,4 м

 

Сравнительная характеристика парусного и пропеллерного ветряков

 

С ростом высоты растет сила ветра, поэтому мачту для ветряка стараются применять возможно выше. Рост силы ветра с высотой приблизительно описывается экспоненциальной зависимостью:

 

 

 

Двукратное увеличение высоты мачты дает увеличение мощности за счет увеличения скорости ветра в полтора раза. Но стоимость мачты растет примерно пропорционально кубу высоты. Поэтому двукратное увеличение высоты башни вызывает восьмикратное увеличение ее стоимости.

 

С ростом высоты растет и продолжительность (повторяемость) ветра. На 10 – 20 метровой высоте повторяемость энергетически полезного ветра составляет 25 – 30% в условиях средней полосы России. На 200 метровой высоте повторяемость ветра достигает своего максимума и составляет 80 – 98%. С учетом увеличения длительности работы ветряка, можно считать в первом приближении, что суммарная годовая выработка энергии растет пропорционально высоте расположения ротора ветроустановки. Если стоимость мачты составляет значительную долю в общей стоимости ветроустановки, то дальнейшее увеличение высоты мачты становится нерентабельным. На практике стоимость мачты составляет 25 – 50% стоимости установки.  Для ветряков диаметром 10 метров применяют мачты 15 – 30 метров стоимостью 100 тыс. – 1 млн. руб. Для ветряков диаметром 30 – 100 метров высота башни примерно равна диаметру ветряка. Стоимость стометровой башни –  около 40 миллионов рублей.

 

Для парусной ветроустановки увеличение высоты влечет за собой увеличение длины троса и не является столь критическим обстоятельством, как для пропеллерного ветряка, размещаемого на мачте или башне.

 

Если сравнить между собой ветряк, имеющий диаметр ротора 10 метров на 18 метровой мачте, и парашют Д6, имеющий диаметр 10,4 метра, то на высоте 200 метров энергия ветра увеличится примерно в 11 раз, поэтому парашют, работающий на высоте 200 метров, с учетом более низкого КИЭВ, будет давать энергии в 4 раза больше, чем пропеллерный ветряк диаметром 10 метров на стандартной мачте. Т.е. парашютный ветряк диаметром 10 метров эквивалентен пропеллерному ветряку диаметром 20 метров.

 

                         

Рис. 3 Парашют 10,4 м и ветряк 10,5 метров.

 

Для парусной ветроустановки диаметром 10 метров, работающей в средней полосе России со слабыми ветрами, можно ограничиться мощностью генератора в 18 кВт. Для такой мощности будет достаточен капроновый канат диаметром 10 мм. 500 метров такого каната весят 25 кг. Парашют Д6 весит 11,5 кг. Сила, с которой ветер воздействует на парашют при 3 м/с, составляет 28 кгс., что достаточно для подъема парашюта с земли с последующим набором высоты даже без применения гелиевого шара. При рабочей скорости 10 м/с сила, воздействующая на парашют, будет уже 1600 кгс и вес каната и парашюта не будет сказываться на работе установки.

 

 

 

 

 

Рис.4 Парашютный ветряк из двух парашютов Д-6

 

 

 

 

Рис.5 Ассортимент гелиевых шаров, предлагаемых к продаже в России

 

Парусный ветряк имеет преимущество по скорости вращения генератора перед пропеллерным ветряком. Пропеллерный ветряк диаметром 10 метров делает около 100 об/мин, что требует применения мультипликатора или сверхтихоходного, дорогого генератора. Парусный 10 метровый ветряк обеспечивает частоту вращения генератора около 1000 об/мин, что позволяет применять более дешевый серийно выпускаемый генератор.

 

Еще одним преимуществом парусного ветряка будет его низкий уровень шума.

 

Выработка энергии 10 метрового пропеллерного ветряка в средней полосе России составляет 20 МВт*часов в год при стоимости ветряка в 1 600 000 руб. Если считать стоимость электроэнергии по цене покупки из внешней электросети для нужд собственного производства, срок окупаемости ветряка составит 30 лет. Приобретение такого ветряка с целью выработки и продажи электроэнергии во внешнюю сеть вообще не имеет смысла, поскольку цена поставки электроэнергии в сеть намного меньше цены получения энергии из сети.

 

Экономические показатели парусного ветряка намного привлекательнее. Парашютный 10 метровый ветряк даст выработку электроэнергии в 80 МВт*часов в год при стоимости всей ветроустановки порядка 470 тыс. руб. Парусному ветряку диаметром 10 метров потребуется генератор на 18 киловатт стоимостью около 70 000 руб., парашют стоимостью 25 000 руб., полиамидный канат диаметром 10 мм длиной 500 метров стоимостью 12 000 руб. (Помимо полиамидных канатов существуют кевларовые канаты. Они прочнее и легче капроновых в два раза, но стоят в десять раз дороже.) Сколько будет стоить система управления парашютом и всей установкой в целом сейчас невозможно сказать. Но даже при ее стоимости в 1 миллион рублей парусный ветряк будет в 4 раза эффективнее пропеллерного. Невозможно спрогнозировать заранее срок службы парашюта и канатов. Чтобы парашютный ветряк был экономически целесообразен для нужд собственного производства, нужно, чтобы срок службы паруса и каната превышал 3 месяца. Срок службы парусов на яхтах составляет порядка года, поэтому этот показатель выглядит вполне достижимым. У парашютного ветряка велики эксплутационные расходы. Гелий имеет свойство улетучиваться сквозь микропоры оболочки шара. Будут изнашиваться канаты и полотнища паруса. Очень грубо сравнительный анализ эффективности пропеллерного и парашютного ветряков дает следующие цифры:

 

Рис.6 Сравнительный расчет экономической эффективности парашютного и пропеллерного ветряков.

 

В армии используются парашюты для десантирования бронетанковой техники диаметром 21 метр. В парашютной системе используется до 12 таких парашютов одновременно. На основе стандартной системы возможно создать ветроустановку с площадью парашютов в 4200 кв.метров, которая по выработке энергии будет эквивалентна пропеллерному ветряку диаметром примерно 40 метров. Эксплутационные расходы такой установки будут значительно меньше. Потому что с ростом размера гелиевого шара уменьшается относительная утечка гелия через оболочку. Поддерживающий гелиевый аэростат не обязательно делать в виде шара. Его можно выполнить и в виде тора, либо половины тора, либо другой объемной фигуры, обеспечивающее постоянносе раскрытие полотнища парашютной системы.

 

Справочные данные к докладу:

 

Согласно данным Шурхала В. В. :

 

Стоимость ветряков

 

Ветряк 2 МВт, на скорости 11,5 м/с        2 500 000 €

Лопасти диаметром                         80 метров       450 000€         18% стоимости ветряка

Башня высотой                     100 метров     825 000 €        33%

Мультипликатор                                          50 000 €          14 %

Преобразователь                                          150 000 €        6 %

 

Парашют Д6 серия 4

Диаметр                     10,4 м²

Площадь                    83 м²

Масса                         11,5 кг

Срок службы             20 лет

Ресурс                        80 применений при общей массе 140 кг.

 

Для десантирования бронетанковой техники используются парашютные системы, состоящие из нескольких парашютов (до 12) при площади 350 кв. метров каждый. Диаметр парашютов 21 метр.

 

Цены ВИЭСХ на мачты

6 м      26 000 руб.

8м       47 000 руб.

10,5 м 80 000 руб.

12 м    115 000 руб.

30 м    46 000 $ плюс28 000 $ переход

 

Ветряк                      Радуга-R10-8            Радуга-R10-16                      Радуга-R10-24

Диаметр                     10м                             10м                                         10м

Мощность                  8 кВт                          16 кВт                                    24 кВт

Класс и средне-        3 класс                       2 класс                                   1 класс

годовая скорость       менее 4,5 м/с             4,5 – 8 м/с                              более 8 м/с

Расчетная скорость   10,3 м/с                      12,4 м/с                                  14,2 м/с

Башня                         9,5 и 17,5 метров

Стоимость                                                    1 580 000 руб.

Годовая выработка   менее 20 МВт*час    20 – 70 МВт*час                   более 70 МВт*час

Средняя мощность   менее 2,3 кВт            2,3 – 8 кВт                             более 8 кВт

 

Полиамид

плотность 1,14 кг/дм³ 

 

 

Розин М.Н.

10 июня 2009 г.