Рассчитываю домашний ветрогенератор

Заинтересовался на днях домашними ветрогенераторами, и хочу обсудить одну идею, которая пришла в голову, пока читал и смотрел материалы на тему. Вообще ветряки сейчас доминируют в зеленой энергетике, например, в Европе их доля в общем балансе возобновляемых источников 39% (или 18% от всей энергетики Европы). Но то — промышленные турбины, которые имеют большие размеры и ставятся на высоте 100-200 метров.

Что же касается домашних ветрогенераторов, то их продается огромное количество, но большая часть владельцев разочарована ими. Вложения получаются большими, потому что нужен не только ветряк, но еще и высокая мачта для его установки плюс вся электрическая начинка, а выработка получается нестабильной и небольшой: условно, сотня ватт и то не факт. Поэтому для домашней подпитки в основном предпочитают солнечные панели.

Проблема с домашними ветряками — в низкой скорости и стабильности ветра у земли. Хотя абсолютный штиль бывает не так и часто, обычно скорость ветра составляет 1-3 м/с, а это ниже предела начала работы большинства классических ветряков. При такой скорости они даже не включаются.

Тут я подумал, что вообще-то это поправимо: скажем, в сужающейся трубе скорость будет нарастать. Мы все знаем, что такое сквозняк в доме: бывает, так подует, что дверь из рук вырывает. А с точки зрения генерации энергии мощность зависит от скорости аж в кубической зависимости, то есть, разгоняя поток, можно снимать с него кратно больше энергии.

Я вот прикинул: если крыльчатка турбины площадью 2 квадратных метра обдувается со скоростью 3 м/с, то доступная энергия потока — 0,033 Вт (от этой величины турбина возьмет долю с учетом КПД). Но пусть труба сужается до сечения 0,25 квадратных метра (в 8 раз), и для простоты примем поток воздуха несжимаемым (для малых скоростей это приемлемое допущение). Тогда скорость возрастет до 24 м/с, а доступная мощность увеличится до 2,4 кВт, то есть в 72 раза (рассчитано с помощью онлайн-калькулятора трубин).

Я даже стал гуглить, есть ли проекты турбин с дефлекторами, ускоряющими поток, но ничего не нашел. Возможно, идея по каким-то причинам нерабочая. Но как будто фундаментальных проблем с ней нет.

С горизонтальными турбинами такую схему реализовать можно, но как будто сложно: нужен длинный сужающий раструб на входе и такой же на выходе, в общем, установка получится довольно громоздкой и неустойчивой к сильным и турбулентным ветрам. Поэтому я задумался о вертикальных турбинах: их как раз частенько используют в домашних условиях.

Вертикальные генераторы менее эффективны, то есть выработка энергии на единицу площади у них ниже. Но они могу работать при малых ветрах и бесшумны, а главное — не требует ориентировки по ветру, то есть питаются «бытовыми» ветрами, которые дуют как попало. Однако если воткнуть такой ветрогенератор просто так, эффект будет несерьезным: допустим, при ветре 3 м/с вертикальная турбина размером с человека (диаметр ротора 1 метр, высота 2 метра) с учетом КПД будет иметь мощность примерно 8 ватт, то есть ее едва хватит на слабую LED-лампу. Нехорошо.

Поэтому я подумал о такой вот схеме. Это вид сверху на вертикальный ветрогенератор Савониуса или подобный.

Ротор обозначен красным: упрощенно говоря, это две (иногда три) лопатки, которые вращаются потоком воздуха, чем-то напоминая гребные колеса. Черным обозначены неподвижные дефлекторы, которые формируют сужающиеся каналы. В них воздух разгоняется перед поступлением на ротор, увеличивая энергию, которую потенциально можно отнять у ветра. Я нарисовал принципиальную схему, в реальности количество дефлекторов и их форма может быть другой: скорее всего, их нужно профилировать, чтобы добиться оптимального разгона потока. Поскольку дефлекторы установлены по кругу, турбина должна работать при любом направлении ветра, хотя эффективность наверняка будет падать при невыгодных углах. В перспективе можно подумать об устройстве с регулируемой аэродинамикой.

Как мне видится, такая конструкция позволила бы использовать низкопотенциальные ветра со скорость 1-3 м/с, ускоряя их, может быть, до 20-30 м/с (хотя это надо проверять). Конструктивно устройство несложное и прототип можно собрать из листов фанеры. Кроме того, оно масштабируемое: получаются цилиндры, которые можно ставить или рядом, или друг на друга, экономия площадь.

Главный минус — это громоздкость. Например, у нас есть ротор диаметром 1 метр и высотой 2 метра. Мы хотим зажать поток в десять раз: тогда внешний радиус дефлекторов должен быть 2,5 метра (это даст пятикратное уменьшение сечения), и еще вдвое поток подожмется за счет треугольной формы дефлекторов (поскольку нам выгоднее дуть только на половинку ротора). Получается бандура диаметром 5 метров, то есть с небольшую избушку. Зато ее мощность, рассчитанная тем же калькулятором, при скорости ветра 3 м/с на входе (и 30 м/с у ротора) составит в районе 8,5 кВт с учетом потерь (КПД турбины берется 30% — возможно, завышенный). Это очень примерный расчет, но если он плюс-минус адекватен, цифры многообещающие. При энергоэффективном доме тут и на отопление хватить может.

В чем может быть подвох? Аэродинамика такого объекта будет сложной для расчета, и, подозреваю, что в реальности даже при сужении канала в 10 раз разогнать поток так сильно не удастся. При его ускорении резко растут потери, возникает турбулентность, повышается сопротивление. Часть воздуха будет идти не напрямую через ротор, а в обход установки. Это не значит, что она не будет работать, просто расчет будет не столь лобовым и реальные цифры ниже. Насколько? Не знаю: тут нужен эксперимент или полноценные CFD-расчеты.

Впрочем, многое зависит от исполнения. Если правильно спрофилировать каналы, согласовать их положение с формой ротора, выбрать оптимальное соотношение диаметров и высоты конструкции, может быть, от нее будет толк. Правда, сколь я ни искал, найти что-то подобное в реальности не удалось: если вам встречались такие проекты, маякните.

Ветряки по-своему привлекательны. Да, солнце светит каждый день, но проблема солнечных панелей, особенно в наших широтах: низкое приведенное время работы. Например, панель номиналом 400 Вт на Урале будет работать по приведенному времени примерно 1,5 часа в сутки, то есть вырабатывать 600 Вт*ч/сутки, что соответствует средней мощности 25 Вт. Понятно, что обычно ставят десятки панелей, но в любом случае полностью обеспечить дом ими очень дорого. Чтобы получить стабильный киловатт, нужно аж 40 панелей и кучу батарей для хранения (вот опыт владельца Nissan Leaf с солнечными батареями).

Ветры при этом становятся все сильнее (одно из следствий потепления климата), и могут дуть круглосуточно. Если представить, что в течение месяца у нас треть безветренных дней, а в остальные ветрогенератор в среднем качает 1 кВт, то получится 480 кВт*ч за месяц. Для электромобиля это эквивалентно 2-3 тысячам километрам пробега, ну, либо можно обеспечить нагреватель средней мощностью 0,7 кВт. Опять же, я взял небольшую среднюю мощность в 1 кВт, может быть, эта штуковина способна и на 3-5 кВт.

Впрочем, экономически это вряд ли целесообразно: помимо самого ветрогенератора нужен выпрямитель, управляющая электроника, литий-ионная батарея (и желательно большая), инвертор. Но если идея рабочая, установку можно масштабировать и питать по несколько домов, например.

Но  это так — мысленные упражнения. Думаю, будущее ветрогенерации: за летающими станциями — кайтами или планерами. Девять лет назад назад еще на старом блоге писал о таких. Поскольку высотные ветры очень сильные и стабильные, такие установки обеспечивают довольно надежную выработку. Но при кажущейся простоте на коммерческом уровне идея еще не реализована, хотя существует с десяток перспективных проектов и какой-то наверняка достигнет зрелости. Основной проблемой является стабильность кайта или планера в сложных условиях: при оптимальном ветре они уже показывают хорошие результаты, но поскольку погода меняется часто и резко, добиться полной автоматизации пока сложно. Ну, и вопросы безопасности (в том числе, авиационной) придется решать на уровне правительств, потому что кайты в перспективе будут летать на высоте 500-1500 метров. Во всех смыслах дух захватывает.