Ветросиловые установки относятся к наиболее перспективным системам так называемой альтернативной энергетики. Скажем, офшорные ветропарки уже сегодня являются важным источником возобновляемой энергии во многих странах, имеющих выход к Балтийскому или Северному морям. Однако в некоторых регионах, особенно тех, где климат характеризуется суровыми зимами, эксплуатационники сталкиваются с весьма серьезной проблемой - образованием наледи на лопастях ветроколеса. "В какой-то момент этот лед срывается с лопасти и улетает на расстояние в сто-двести-триста метров, - говорит Рольф Вестерлунд (Rolf Westerlund), сотрудник шведской фирмы HoloOptics, производящей специальные измерительные инструменты. - Причем нередко речь идет о здоровенных ледышках массой в килограмм, а то и два. Конечно, такой снаряд может и убить".

После одного миллиметра начинаются потери

Однако этим проблемы не ограничиваются. Позапрошлой зимой на протяжении 5-ти месяцев Рольф Вестерлунд вел круглосуточный мониторинг одной из шведских ветроустановок близ города Хернёсанд, измеряя скорость ветра, толщину наледи на лопастях и производительность ветрогенератора. Оказалось, что уже незначительная корка льда существенно снижает КПД установки, поскольку резко ухудшает аэродинамические характеристики лопастей.

"Все зависит от того, сколько времени слой льда имеет толщину более одного миллиметра, - поясняет Рольф Вестерлунд. - Как только толщина наледи превышает один миллиметр, начинаются потери. В ту зиму, когда мы вели наш мониторинг, это время составило в общей сложности 500 часов. В результате эта ветроустановка выработала на 15 процентов меньше электроэнергии. Даже если эти потери "раскидать" на весь год, все равно получается более 5 процентов - весьма существенная цифра".

От несмачиваемых покрытий до надувных пленок

Проблема обледенения актуальна практически для всех ветроустановок в Швеции: их производительность зимой заметно падает. Мало того, что из-за намерзания переохлажденного дождя или мокрого снега ухудшается аэродинамика лопасти, так ветрогенераторы то и дело приходится и вовсе отключать, если толщина слоя льда превышает критическое значение. Такая же ситуация наблюдается и в Финляндии, и на севере Германии, и в Швейцарии.

"В Швейцарии все места, где установка ветрогенераторов оправдана, находятся в горах, на высоте 900 или даже 1000 метров над уровнем моря, а там в зимние месяцы обледенение лопастей - явление очень распространенное", - поясняет географ Рене Каттен (René Cattin), возглавляющий отдел метеорологии в научно-исследовательской компании Meteotest в Берне. Поэтому множество инженеров в разных странах мира активно разрабатывают методы борьбы с наледью. Идеи и подходы при этом самые разные: от специальных несмачиваемых покрытий, препятствующих намерзанию льда, до обтягивающей лопасти надувной пленки, позволяющей взламывать ледяную корку путем нагнетания воздуха. Но все эти концепции пока не продвинулись дальше стадии прототипа.

Встроенные в лопасти системы отопления

Единственная уже реально существующая конструкция - это интегрированная в лопасти система отопления. "В принципе, это размещенные у основания лопастей вентиляторы, которые гонят теплый воздух по проложенным внутри лопастей специальным каналам, - поясняет Рене Каттен. - Целый ряд дополнительных вентиляторов обеспечивают равномерное прогревание всей поверхности лопастей". Все это, конечно, замечательно, но отопление связано с расходом энергии. То есть благодаря подавлению обледенения производительность ветрогенератора повышается, но часть вырабатываемой им электроэнергии уходит на это самое подавление обледенения.

Чтобы выяснить, "стоит ли овчинка выделки", Рене Каттен и его коллеги вот уже третий год осуществляют мониторинг двух совершенно идентичных ветросиловых установок в горах Юра на северо-западе Швейцарии. Одна установка эксплуатируется с включенным отоплением лопастей, другая - с выключенным. Обе установки оборудованы датчиками обледенения.

Сокращение потерь до 3 процентов - цель достижимая

"Как только на лопастях начинает нарастать корка льда, аэродинамика нарушается, и производство энергии падает, - поясняет Рене Каттен. - А какова номинальная производительность генератора при той или иной силе ветра, прекрасно известно. Поэтому если на практике имеет место значительное отклонение от номинальных показателей, а температура воздуха ниже ноля, значит, эти потери вызваны обледенением". Но при первых же признаках наледи в одной из ветроустановок срабатывает автоматика, включающая систему отопления. "Наши наблюдения и измерения показали, что на неотапливаемой ветроустановке потери составляют около 10 процентов, то есть она производит на 10 процентов меньше электроэнергии, чем могла бы производить при данной силе ветра, не будь обледенения - говорит Рене Каттен. - На отапливаемой ветроустановке потери составили 3 процента. Это та энергия, которая была израсходована на само отопление. То есть чистый выигрыш составил 7 процентов".

Значит, оборудовать ветросиловые установки системами отопления имеет смысл - по крайней мере, там, где угроза обледенения лопастей реальна на протяжении нескольких месяцев в году.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман