- Дедушка, а ветрогенераторы с тремя лопастями бывают?
- Бывают, внучок, бывают...
- А, с двумя лопастями бывают?
- Бывают, внучок, бывают...
- Дедушка, а вообще без лопастей бывают?
- Нет, внучок, не бывают!
- А вот и нет, дедушка, бывают! :-D

Много различных генераторов — замечательных и не очень, и среди них особняком стоит одно устройство, потенциал которого, возможно, ещё не до конца осознан: ветрогенератор на эффекте Магнуса.

Первый эксперимент с роторными приводами относится ещё к началу XX века, когда один из инженеров разработал роторные паруса, не нашедшие на тот момент большого распространения из-за недостатков устройств в части надёжности. 

Со временем, уже в 1980-е годы, кому-то пришла в голову идея использовать тот же самый принцип из роторных парусов начала века в современной на тот момент области ветрогенерации. 

Принцип действия этого эффекта весьма прост: если в потоке жидкой или газообразной среды находится вращающийся цилиндр, то его вращение создаёт завихрения вокруг, как бы подхватывая окружающую среду. В результате с одной стороны цилиндра среда захватывается и выбрасывается в другую сторону, где направление этого выброса совпадает с направлением движения потока.

В противоположность этому, с другой стороны цилиндра выбросы среды будут производиться напротив обтекающего цилиндр потока:

Всё это в совокупности будет приводить к тому, что:

• с одной стороны цилиндра (в нижней части рисунка выше) среда будет двигаться с относительно большой скоростью, в результате чего здесь будет образовываться разрежение;

• с другой стороны цилиндра, где происходит выброс среды напротив движения потока (в верхней части рисунка выше), движение среды замедлится и, соответственно, она здесь будет обладать относительно высоким давлением.

В результате образуется практически тот же самый эффект, что и у крыла самолёта: зона высокого давления выдавливает объект в зону низкого давления. 

Таким образом, если говорить о цилиндре на рисунке выше, то его будет выдавливать в условный низ изображения, тогда как у крыла самолёта та же сила будет направлена вверх и называться подъёмной — с тем же самым механизмом действия:

Однако, поскольку цилиндр — это не крыло, такая разность давлений будет вызывать его вращение вокруг вертикальной оси.

При этом в случае, если цилиндр не вращается во время нахождения в потоке, скорость потока с обеих сторон цилиндра является одинаковой — то есть вращение играет определяющую роль в создании подъёмной силы:

Подобные эффекты многократно проявляются в спортивных дисциплинах, где задействованы быстро вращающиеся объекты — например, в футболе или теннисе. Закрутка мяча позволяет ему двигаться по сложным, параболическим траекториям.

Имеет своё проявление подобный эффект и в движении других объектов, например, пуль в полёте, благодаря чему их может сносить в ту или иную сторону.

Однако нас больше интересует использование этого эффекта в целях генерации электричества, то есть в ветрогенераторах, и насколько это реально... 

Использование подобных ветряков выглядит достаточно привлекательным, ведь чем проще конструкция, тем она надёжней! 

А тут идеальный вариант: просто цилиндр и всё — ломаться нечему!

Но из этой его простоты проистекает и его основной недостаток — почему я и привёл выше картинку движения потока вокруг цилиндра, если он не вращается: неподвижный цилиндр не создаёт подъёмной силы!

Что это означает в практическом смысле: цилиндр — это не крыло и не парус, и он не будет работать в состоянии покоя! Чтобы он начал работать, его обязательно надо раскрутить! 

Собственно говоря, это и есть его основной минус: чтобы от него была какая-то польза — нужно сначала затратить энергию на раскрутку...

Если попытаться сравнить его эффективность со стандартными лопастными генераторами, то он будет им существенно проигрывать, и где лопастные ветряки смогут преобразовывать до 45% энергии ветра в электричество, возможности генератора на эффекте Магнуса ограничены только примерно 35%, так как это связано с более высокими потерями при трении о воздух, а также необходимостью затрат энергии на изначальную раскрутку. 

Однако не всё так плохо: рассмотренная выше ситуация касалась только идеальных условий работы с относительно высокими скоростями ветра. 

Но всё полностью меняется, если скорость ветра относительно низкая и наблюдается высокая турбулентность — в этих сложных условиях ротор показывает себя наилучшим образом и создаёт высокую подъёмную силу, несмотря даже на малую скорость потока: он будет хорошо работать даже при скорости ветра в 2 м/с, вне зависимости от его направления и порывов (для него это не так опасно, как для лопастного генератора).

Таким образом, несмотря на относительно более низкую эффективность по сравнению с лопастными системами, если рассматривать интегральную выработку подобным генератором за год, то можно сказать, что такой генератор обладает очень высокой стабильностью выработки электроэнергии.

На этом нюансы не закончились: в отличие от паруса или крыла, ротор на эффекте Магнуса автоматически не поддерживает своё вращение за счёт набегающего потока и ему постоянно требуется корректировка скорости в реальном времени, так как оптимальный режим его работы заключается во вращении со скоростью в 3-5 раз большей, чем скорость набегающего потока.

Это связано с тем, что подобный ротор не просто «вращается потоком», а должен закручивать поток вокруг себя, захватывая его. 

Если скорость будет меньше требуемой, то, в зависимости от того, насколько она отличается от оптимального окна, поток будет больше «биться» об цилиндр, стараясь затормозить его, а не закручиваясь вокруг.

Если скорость будет превышать требуемую, то возникнут лишние затраты без увеличения выработки электроэнергии.

Другими словами, диаметр цилиндра надо подбирать таким образом, чтобы была техническая возможность (в первую очередь имеется в виду наличие соответствующего двигателя) обеспечить скорость окружности цилиндра в 3-5 раз большую, чем скорость набегающего потока.

Таким образом, получается, что подобный роторный генератор должен иметь систему обратной связи, которая позволяет постоянно замерять скорость набегающего ветра и в зависимости от него постоянно регулировать в реальном времени скорость вращения цилиндра.

Количество энергии, необходимое на поддержание вращения цилиндра, может доходить до 25% от общего количество вырабатываемой электроэнергии (по сравнению с типовыми накладными расходами лопастных генераторов (до 3%) расходы выглядят чудовищными). 

Также необходимо работать и над тем, чтобы сам цилиндр был достаточно лёгким, а приводящий его в движение двигатель(ли) обладал достаточным моментом, чтобы быстро его раскручивать.

Какого-либо чёткого соотношения пока найти не удалось, поэтому этот вопрос на данный момент покрыт мраком (скажем, чёткого соотношения силы, сдвигающей цилиндр с места, к скорости потока в м/с). Поэтому можно дать лишь общие рекомендации о максимально возможном облегчении веса.

Несмотря на ряд преимуществ, подобного типа генераторы на данный момент очень мало распространены, можно даже сказать, что практически отсутствуют на рынке, за исключением единичных экспериментальных экземпляров, над которыми работают энтузиасты и небольшие команды стартапов и учёных. 

Причиной такого положения дел является целый ряд факторов, среди которых один мы уже назвали — большие затраты электроэнергии на поддержание вращения и начальный пуск. 

Из этого проистекает и вторая проблема — роторы должны снабжаться мощными электродвигателями, что уже само по себе существенно дорожает конструкцию. 

Ну и более низкий КПД, о котором мы уже говорили выше… 

На этом проблемы не заканчиваются: каждый подобный ротор должен снабжаться интеллектуальной системой поддержания вращения, а само его изготовление должно быть достаточно точным, чтобы минимизировать вибрации и, соответственно, продлить срок службы (как ни странно, на практике оказалось, что сложной формы лопасти изготавливать проще, чем большой цилиндр, хорошо отбалансированный). 

Ну и нельзя отметать в сторону инертность мышления и приверженность к существующим решениям, которая, впрочем, вполне обоснованна: наличие запчастей, сервиса, а также налаженных каналов поставки является более ценным, чем потенциальные привлекательные моменты нового устройства.

Тем не менее, эксперты отмечают, что, несмотря на все трудности, работы в этом направлении ведутся. В перспективе подобные роторные генераторы могут показывать выработку, суммарно за год, в два–три раза превышающую типовые решения с лопастями — за счёт возможности работы в очень широком диапазоне скоростей ветра, что мы уже видели выше (даже при скорости ветра от 2 м/с).

При этом, раз уж мы заговорили о ветровом окне, стоит отметить, помимо упомянутого нижнего края окна, и верхний предел — такие роторные генераторы легко работают на огромных скоростях ветра, при которых произошло бы разрушение лопастных генераторов!

Причина здесь заключается в самой природе подобных генераторов: если лопастные генераторы обладают достаточно ограниченным «пределом терпимости» к скорости ветра — где уже, в среднем, при скорости в 30 м/с система автоматически устанавливает их лопасти по ветру (то есть как флюгер), а максимальный предел прочности конструкции находится где-то в районе 50 м/с, где дальнейшее превышение этого предела приведёт к механическим разрушениям — то, в противовес этому, роторные генераторы могут легко существовать (и нормально работать!) даже при скоростях ветра в 60 м/с и более!

Так происходит из-за управляемой подъёмной силы, которая легко может быть уменьшена всего лишь замедлением вращения цилиндра! 

И если лопастной генератор ничего не может поделать со своей геометрией лопастей, которая после определённого предела становится разрушительной для него, несмотря на установку как флюгер, то у цилиндра мы фактически можем как бы «понемногу удалять лопасти», замедляя скорость вращения и даже в самых крайних случаях выключив скорость в ноль! 

Ну и, кроме этого, сложно спорить с тем, что массивный цилиндр будет более устойчивым и прочным по сравнению с любой лопастью! 

В качестве примера здесь можно привести японский стартап Challenergy, который появился в 2014 году, и главной его целью заявлялось создание ветрогенераторов, способных работать даже в условиях тайфунов:

И у них это удалось: с момента своего появления они построили ряд установок, которые, по некоторой дошедшей информации, успешно функционировали даже при скоростях ветра в 62,5 м/с, в то время как на официальном сайте компании представлена установка, выдерживающая ветер в 70 м/с и обладающая мощностью выработки в 10 кВт при скорости ветра в 11 м/с. 

Ну и пара видео подобных установок вблизи:

Здесь можно отметить любопытный момент, который заметен на видео: установки от Challenergy используют не единый цилиндрический ротор, а 3 отдельных ротора относительно малого диаметра, расположенных в виде равностороннего треугольника.

Это сделано не случайно и причины следующие:

• Компенсация опрокидывающего момента: одиночный ротор испытывал бы слишком неоднородную нагрузку только на одну сторону, что привело бы к ускоренному износу подшипников и, кроме того, потребности в значительном укреплении основания установки, чтобы она попросту не завалилась на землю.
  
  В то же время три ротора позволяют взаимно уравновесить их силы и, соответственно, продлить срок службы подшипников, а также использовать менее массивное крепление установки к земле.

• 3 ротора позволяют устранить пульсации в работе, так как их вращения сдвинуты на 120º по фазе, иначе единый ротор демонстрировал бы очень сильные вибрации. Кроме более гладкой работы без рывков, это облегчает и запуск.

• Возможность более тонкой регулировки в работе, в том числе полной остановки цилиндров для устранения крутящего момента при продолжении вращения всей установки (например, при кратковременных порывах ветра).

• Чисто техническая проблемность изготовления единого большого цилиндра, хорошо отбалансированного и не изгибающегося при работе.

По некоторой информации, компания работает над внедрением подобных систем и в других регионах, подверженных воздействию сильных ветров, тайфунов — в частности, на Филиппинах. 

Подытоживая этот рассказ, можно сказать, что со времени своего первого использования в генераторах на эффекте Магнуса подобные устройства прошли большой путь, достигнув определённого успеха и показывая выдающиеся характеристики в специфичных для них примерах эксплуатации (очень высокая суммарная выработка в год, работа в условиях ураганных ветров).

Тем не менее, их сопровождает ряд «родовых» проблем, которые несколько затрудняют широкое внедрение. 

Впрочем, работы ведутся, и кто его знает, что будет завтра...;-)

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»