Мощнее ветра. Статья №31. 07.03.17.



В предыдущей статье “Быстрее ветра” мы выяснили, что аэродинамическое давление на кончике стремительно летящей лопасти быстроходного ветрогенератора может в сотню раз превышать давление ветра на неподвижную лопасть.

Другими словами, вклад природной стихии ограничивается скромным одним процентом, а львиную долю силы мы можем трактовать не иначе, как “силу разума”. Ну, действительно, лопасть ветряка – плод величайшей изобретательской мысли, благодаря которой мы получаем десятикратное увеличение скорости обдува лопасти, и как следствие, стократный рост действующей на лопасть силы, т.к. давление пропорционально квадрату скорости.

И всё это, с помощью простого колеса со спицами, в виде крыльевых лопастей.

Это даже круче, чем рычаг Архимеда, закон которого: “выигрывая в силе – проигрываем в скорости”. С лопастью ветрогенератора, куда интереснее: “выигрывая в силе – выигрываем в скорости”. Прямо–таки, супер–рычаг какой-то.

А что же, у нас с мощностью ? Точнее говоря, каково соотношение между располагаемой мощностью воздушного потока, омывающего лопасть, и мощностью, создаваемой лопастью.

Впервые на этот вопрос в 1927 г. попытался ответить известный немецкий физик Альберт Бетц, один из основоположников теории ветрогенераторов. Анализируя обтекание крыла, движущегося втрое быстрее ветра на курсе галфвинд, он выяснил, что тяговая мощность лопасти на боковом курсе в пятьдесят четыре раза превосходит тяговую мощность той же лопасти на попутном курсе.
 
Если же учесть, что коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) на попутном курсе равен: 4/27 (14,8 %), то из анализа Бетца следует, что на боковом курсе (галфвинд) при трёхкратном превосходстве скорости лопасти над скоростью ветра, КИЭВ лопасти восьмикратно превышает священную единицу, то есть, составляет невероятные 800 %.
 
Трёхкратное превышение скорости ветра демонстрирует, например, колёсный буер.
 
А это значит, что тяговая мощность, которую развивает парус буера, по расчетной модели Бетца, в восемь раз больше мощности того воздушного потока, который этот парус “ловит”.

Казалось бы, получив столь сенсационные результаты аэродинамического анализа работы быстроходного крыла, Бетц должен был обеими руками ухватиться за эффект многократного умножения тяговой мощности крыльевой лопасти и искать пути наращивания полезной мощности уже не отдельно взятой лопасти, а всего ветроколеса в целом. Но, нет.

Бетц, с восторгом комментируя 54-кратное превосходство тяговой мощности крыла над тяговой мощностью пластины на попутном курсе, уже на следующей странице допускает досадную ошибку при оценке располагаемой мощности ветрового потока, завышая её в десять раз.

В результате этой ошибки, рассчитанная Бетцем эффективность преобразования энергии ветрового потока, оказалась искусственно заниженной в те же десять раз. И по этой причине, никакой сверхединичности быстроходной лопасти физик Бетц не заметил.

Более того, во второй части своей научной работы1, посвящённой анализу ветроколеса, Бетц, сетуя на сложность оценки взаимного влияния лопастей ветроколеса, благополучно забывает о чудесных свойствах крыла на курсе галфвинд, и неожиданно берёт за основу дальнейших рассуждений максимально упрощённую, если не сказать – ущербную, физическую модель, в которой ветроколесо с крыльевыми лопастями, приравнено (в плане физических процессов) к неподвижному решету, отбирающему энергию от воздушного потока путём его торможения.

Вот так незамысловато и родился “лимит Бетца”, в соответствии с которым КИЭВ самого совершенного ветроколеса не может превышать 16/27 (59 %).
К точно таким же выводам пришёл и русский профессор физики Н.Е.Жуковский2, не вникая в своих рассуждениях в реальную аэродинамику быстроходного крыла.

Ущербность физической модели Бетца в том, что неподвижное решето, в принципе, не способно преобразовывать энергию ветрового потока в полезную механическую работу в силу неподвижности решета, которое способно лишь рассеивать энергию потока, превращая её в бесполезное низкопотенциальное тепло.

Кроме того, в реальном ветроколесе воздушный поток, при взаимодействии с крыльевыми лопастями, интенсивно закручивается в сторону противоположную вращению ветроколеса. Происходит взаимообмен вращательными моментами между колесом и воздушным потоком. По здравому рассуждению, Бетцу, следовало бы, положить в основу своего анализа ветряка – баланс вращательного импульса, с учётом реального изменения скорости потока.

Однако, этот важнейший аспект полностью игнорируется в модели Бетца, в рамках которой течение воздуха априори считается прямолинейным (безвихревым).
Отстраняясь на время от механизма работы лопастного ветрогенератора, мы можем сделать промежуточное заключение о соотношении тяговой мощности быстроходного крыла, по отношению к располагаемой мощности ветрового потока.
 
При реальном угле установки паруса на колёсном буере, порядка десяти градусов, и при реальном угле атаки паруса по отношению к вымпельному ветру (~ девять градусов), тяговая мощность буера примерно в пять раз превышает располагаемую мощность ветра.

Эти цифры основываются на результатах аэродинамической продувки моделей парусов в знаменитой Геттингенской аэродинамической лаборатории, построенной Прандтлем.

То есть парус-крыло реально выдаёт мощность, многократно превышающую мощность ветра.

Спрашивается, почему же тогда современные ветрогенераторы не в состоянии преодолеть даже пятидесятипроцентный рубеж эффективности преобразования энергии ветра ?

Может быть, действительно, быстроходное ветроколесо ничем не лучше решета, поставленного поперёк воздушного потока ?

Разумеется, нет! Узкие лопасти–крылья быстроходного ветряка вырабатывают в несколько раз больше энергии, в сравнении с энергией той части воздушного потока, которая реально взаимодействует с лопастями. Но, при этом, суммарная площадь двух или трёх лопастей составляет всего несколько процентов от общей площади поперечного сечения ветроколеса.
 
Каждая отдельная лопасть демонстрирует сверхединичный КИЭВ, но колесо в целом – увы.

Напрашивающееся увеличение количества лопастей не решает проблему, поскольку с ростом числа лопастей, значительно увеличивается закрутка потока на входе в колесо.

В результате такой закрутки, лопасть работает уже не в режиме галфвинд, а в режиме встречного косого ветра (бейдевинд), со значительной потерей тяговой мощности.

Таким образом, главная проблема многолопастного колеса заключается в чрезмерной закрутке потока перед колесом. В этом и кроется низкая энергетическая эффективность многолопастных ветрогенераторов.

В физической модели Бетца эта проблема не может быть не только решена, а даже не может быть толком проанализирована, поскольку воздушный поток считается незакрученным.

В завершение – самое интересное.

В соответствии с законом сохранения энергии потока, ветер, при взаимодействии с лопастями ветроколеса, должен терять весомую часть своей первоначальной скорости, а стало быть, и значительную долю первоначальной кинетической энергии.
 
При этом, потерянная потоком энергия, с некоторыми потерями, передаётся ветроколесу.

Но, вполне логичное предположение о торможении потока вступает в неразрешимое противоречие с принципом неразрывности, согласно которому количество воздуха, входящего в колесо в ед. времени, должно быть равно количеству воздуха, выходящего из колеса.

Следовательно, по чисто геометрическим соображениям, ни о каком снижении осевой составляющей скорости потока, в ходе контакта с лопастями, не может быть и речи, иначе поток не сможет пройти сквозь колесо.
 
Но, поскольку при прохождении через лопасти колеса, поток закручивается, то для сохранения осевой составляющей скорости потока, его полная скорость неизбежно должна возрасти, так как полная скорость равна векторной сумме осевой и радиальной скоростей.

Другими словами, очевидный факт значительного закручивания потока воздуха лопастями ветряка, означает столь же очевидное ускорение воздушного потока при его прохождении через эти самые лопасти.

Как говорится, приехали !

По первому, казалось бы, здравому рассуждению, поток воздуха, передавая колесу ветрогенератора часть своей кинетической энергии, обязан затормозиться.
Но по второму, просто железобетонному рассуждению, поток на выходе крыльевой решётки вынужден ускориться.

Второй довод явно перебивает первый, поскольку нет ни одного экспериментального факта нарушения закона неразрывности потока, как в отношении газа, так и в отношении жидкости.

Стало быть, скорость ветра при прохождении сквозь ветроколесо, не только не убывает, а даже возрастает, следовательно, механическая работа, совершаемая ветрогенератором, рождается не за счёт отбора кинетической энергии от воздушного потока.

В то же время, понятно, что дополнительная энергия не может возникать ниоткуда.

Впрочем, какое уж тут – “понятно” !

Скорее так: Вероятно, совершаемая ветряком работа и прирост кинетической энергии потока обязаны своим рождением какой-то внешней силе, которую мы упускаем из виду.

И как тут не вспомнить про силу атмосферного давления, способную, многократно ускорять струю воды или воздуха в горле сопла Вентури.

Оказывается, при обтекании крыла, на его выпуклой поверхности образуется столь высокое разрежение, что, пассивное в обычных условиях атмосферное давление, превращается в могучую силу, способную совершать полезную работу.

Расходуется ли при этом энергия атмосферы ?

Разумеется, расходуется, но почти тут же возобновляется, после того, как полезная работа перейдет, рано или поздно, в рассеянное тепло.
Видите, как много неожиданного можно узнать о роторе ветряной турбины, если не отождествлять его с решетом, и если не игнорировать эффект закрутки потока на лопастях.

1   А. Бетц  Ветряные двигатели в свете современных исследований.   Геттинген, 1927 г.
2   Н. Е. Жуковский   Ветряная мельница типа НЕЖ.    ЦАГИ, 1920 г.

Игорь Юрьевич Куликов


Зарегистрированный товарный знак
бизнес делает мощнее.

Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 5704
Ольга Алексеевна Паршина



Автор:  Игорь Юрьевич Куликов. Видео - Николай Геннадьевич Соков.

Возврат к списку