Кривое колесо – ноу-хау казахстанского ученого

Совмещать приятное с полезным удается далеко не каждому человеку. Казахстанскому изобретателю Блоку Шайкенову это удалось – его увлечение ветровыми установками спустя годы наконец-то завершилось успехом.

Б. Шайкенов является одним из участников Международной специализированной Выставки «ЭКСПО-2017», где он демонстрирует абсолютно новый вид ветрового генератора энергии с повышенным коэффициентом полезного действия. Для того, чтобы получить столь желанный им результат, ученому пришлось потратить на исследования 12 лет своей жизни.  О том, что происходило в процессе беспрестанного поиска и как был найден оптимальный вариант генератора энергии, изобретатель рассказал корреспонденту El.kz.

- Блок, расскажите о вашем ветровом генераторе с повышенным КПД.  Как именно функционирует ваше колесо?

- Вообще, оно называется «Ветроколесо с коленным изгибом лопастей». Ветроустановка представляет собой фактически отдельную электрическую станцию, которая состоит из ряда функционально различных установок и механизмов. Вы можете увидеть мачту, гондолу, внутри которой работают генератор и прочие механизмы -  к ней прикреплена головка при помощи специальных лопастей. К слову, именно мачта составляет очень важную и самую дорогую часть механизма – она стоит треть от всего оборудования. Я говорю о стоимости вместе с установкой. Поскольку, для увеличения мощности требуется поднять гондолу и лопасти, и вместе с ними поднимается и стоимость опоры и ее установка.

- Ветрогенераторы существуют довольно таки давно. В чем заключается преимущество именно вашего изобретения?

- В повышенном КПД. Стандартные вертикальные установки производят лишь 16-20 % от общих возможностей, львиная доля энергии уходит вхолостую. За счет определенных манипуляций с лопастями мне удалось существенно увеличить производительность моего генератора, в сравнении со стандартными аналогами.

- 12 лет исследований вряд ли предполагают путь без кочек. С какими проблемами столкнулись в процессе исследований? Кроме того, любое творчество требует наличия свободного времени. Думаю, нашим читателям будет интересно узнать, каким образом совмещали увлечение с работой?

- Времени действительно не хватало. Мне пришлось выбирать между наукой и работой, и я выбрал первое, покинув место основного труда в 2008 году. У меня была конкретная, хоть и далекая на тот момент цель, и я был готов не останавливаться ни перед какими преградами. Тот период я посвятил изучению патентов по ветроустановкам и ветрогенераторам, выданные в Казахстане, России, Германии, Дании, Испании, Франции, США и в других странах. За три года бесплодных попыток и экспериментов, я пришел к выводу, что мне так и не удалось реализовать новую идею. Я не сдавался и упорно продолжал изучать всевозможную литературу на разных языках, посвященную данной тематике. Попытаюсь вкратце  объяснить: представьте, что существуют 2 типа ветрогенератора – один вращается вертикально, другой горизонтально. Коэффициент полезного действия ветрогенератора с вертикальной осью вращения равняется 3-5%, они не нуждаются в дополнительных манипуляциях по ветру, что удобно само по себе. Единственный, но существенный минус заключался в том, что подобная базовая комплектация не располагала к созданию электроустановок с повышенной мощностью.  В свою очередь, на ветроустановках с горизонтальной осью вращения, в частности, на возможности изменения конструкции лопастей. Для увеличения эффективности, я хотел придать им более кривую форму, хотя ломать стереотипы довольно сложно, даже у себя в голове. Существуют огромные ветряные мельницы с прямыми лопастями, над которыми работало много профессиональных инженеров. Несмотря на все это, я стал экспериментировать и работать над разными формами лопастей. И мои первые макеты выглядели следующим образом: сделанные из картона лопасти крепились треугольником ближе к центру при помощи гвоздя. Мной руководила та идея, что раз лопасть крепится двумя точками, значит, возможно, вращение будет сильнее, нежели при перпендикулярно установленных лопастях. Затем лопасти стал крепить углом снаружи обода, а рукоятку затянул к ободу тросом. Я понял, что это совершенно другое решение, ветроколесо при этом получает дополнительную опору для вращения и сила воздействия на вращение должна была  несколько возрастать. Но и этого мне было мало – я был нацелен достигнуть максимально высокого вращательного эффекта. И я решил прикрепить еще одно короткое дополнительное звено по предполагаемой  осевой линии установки лопасти, с сохранением углового положения крепления к звену длинной лопасти. Это звучит легко, но на самом деле технически это было осуществить не так уж просто. В результате всех мытарств на свет появилась короткая часть лопасти с коленным изгибом. Она и изменила всю конструкцию ветроколеса в корне. Этот момент стал поворотным, мы были уже на верном пути, но сначала нужно было пресловутое короткое звено, отлить которую целиком не представлялось возможным ввиду технических сложностей. Чтобы упростить свою работу, мы решили составить короткую часть с коленным изгибом из двух отдельных, но взаимосвязанных участков – осевой и рукавной участки, так мы их назвали. К рукавному участку при помощи болтов крепится крыловидная лопасть, но болты выдерживают только, если мощность установки не превышает 1 мегаватта. В противном случае вышеуказанные составные части соединяются при помощи специального вала с шарнирными механизмами – благодаря этому он имеет возможность вращения вокруг своей оси.  При этом, нужно было не упускать из виду тот момент, что давление на коленный изгиб оказывается сразу в двух направлениях, и это создает риск поломки стыкового соединения. Чтобы избежать усиленного эффекта скручивания под давлением силы ветра на крыловидную часть лопасти, мы решили использовать специальные поддерживающие тросы. Аналогичная практика применяется при строительстве висячих мостов. 

- Честно говоря, звучит немного сложновато для рядового обывателя…

- Давайте вспомним законы о рычаге, это поможет лучше понять устройство конструкции. Рычаг является двигателем всех предметов, которые совершают перемещения или определенные работы. Согласно этому закону, момент силы равен плечу рычага – расстоянию между центром поворота и точкой приложения силы. Ветроколесо также является своего рода рычагом. В качестве центра поворота у нас выступает главная ось, а сочленение лопасти и головки установки и является местом приложения силы. Чтобы увеличить мощность двигателя с прямыми лопастями, нужно удлинить сами лопасти, для чего необходимо наращивать и другие части механизма. Вместе с тем повышается и стоимость самой ветроустановки. Максимальная длина одной прямой лопасти – 60 метров. В этом случае ее вес будет составлять порядка 7 тонн, а масса гондолы – до 400 тонн. Кривая же лопасть выглядит не столь эстетично, как прямая, но ее мощность генерации ветра гораздо выше. Этот момент можно проследить в простой формуле: момент силы установки с прямыми лопастями равен  расстоянию между центром поворота и точкой приложения силы, то есть он пропорционален длине радиуса головки.  В нашем же случае дополнительное звено на длине осевой части помогло увеличить силу рычага. Вы можете увидеть, что длинное крыло присоединено к основной части под углом 30-60. Теперь имеются два места опоры рычага и два звена момента силы, соответственно наращивается вращение ветроколеса в 2-3 раза. Преодоление сопротивления при огромных лопастях всегда являлось основной задачей конструкторов ветроустановок, при этом нужно еще было создать хорошую аэродинамику, иначе все усилия сводятся на нет. Есть свои способы обойти этот нюанс. В частности, сделав головку, саму гондолу и опору обтекаемыми, лопасти же должны быть немного уже к концу. При этом ветряной поток, в каждый момент срываясь с суживающегося края лезвия, усиливает силу толкания лопасти по кругу. Однако, прямые лопасти, как я уже подчеркивал, теряют немало создаваемой энергии. Коэффициент полезного действия при применении прямых лопастей составляет 16-20%.

- Получается, увеличить эффективность ветроустановки удалось за счет неиспользуемой ранее части потока воздуха? Иными словами, вам удалось использовать большую ветра?

- Верно. Ключевым моментом в выработке энергии с использованием ветра является повышение коэффициента улавливания кинетической энергии свободно проходящего ветра. Поэтому необходимо достигнуть значительной плотности ветряного потока в области касания поверхности крыловидной лопасти и «улов» все большей его массы, соответственно, обеспечение большого аэродинамического эффекта ветряного потока в пределах ометаемой площади. Аэродинамика ветряного потока при применении нашей конструкции лопасти с коленным изгибом подвергается значительным изменениям. Лопасти нашей конструкции, занимая плоскость 30-60 относительно осевого прикрепления, как бы находятся в поперечном положении на пути ветряного потока и создают дополнительное  сопротивление. Однако это является не недостатком, а преимуществом, поскольку длинная лопасть ротора нашей конструкции занимает угловое положение относительно оси крепления к головке, то есть все время находится под напором плотного ветряного потока. Отличие нашей конструкции лопастей (ротора), основанной на рычажной системе с двумя плечами и двумя точками приложения силы, находящееся в одной стороне, состоит именно в том, что оно рассчитано на легкое преодоление сопротивления плотного потока ветра. В этом его второе преимущество! Нужно отметить еще одну особенность нашей конструкции. Если прямые лопасти при вращении по всей своей длине прямо рассекают воздушную массу, встречая значительное сопротивление, то косое положение на 30-60 длинной крыловидной лопасти нашей конструкции, позволяет постепенно «пилить» воздух, где сопротивление массы воздуха уже чуть ослаблено предыдущей частью лопасти. Вкупе с тем, что большая плотность воздуха, проходящего через лезвие упорно толкает лопасти, что способствует дополнительному усилению вращения ветроколеса.

- Во сколько обходится обслуживание установки?

- Тоже дорого, откровенно говоря. Но, надо отметить, сейчас энергия ветра значительно подешевела, если сравнивать с тем, что было несколько лет назад. Этому поспособствовало найденное решение по удачной конструкции ветрогенератора. Казалось бы, что тут сложного? Лопасть двигает поток воздуха, создавая энергию ветра. Но подобная система претерпевала изменения множество раз. В поисках наиболее эффективного механизма люди проводили массу испытаний, пока не были найдены оптимальные длина, ширина, толщина и кривизна угла атаки на границе лезвия. У каждого производителя, по идее, аэродинамические параметры могут отличаться, но лишь немного. Ведь найдена оптимальная конструкция – для чего пытаться изобрести велосипед?

- Любопытно узнать, когда и при каких обстоятельствах вы увлеклись ветроэнергетикой? И где вы впервые увидели действующие модели ветроустановок?

- Техника всегда была моим увлечением. Мне нравилось находить в технике определенные неполадки, а затем устранять их. Первым местом, где я увидел ветряные установки, стали США, штат Калифорния. Произошло это в 2005 году, когда мой старший сын работал в главном штабе компании Шеврон в городке Сан-Рамон. Это был замечательный период, во время которого мы устроили небольшое ознакомительное турне по городам штата. В тот период посетили известный своими тысячелетними секвойями Национальный парк Иосамити. Именно там стояло множество ветроустановок, которые мгновенно привлекли мое внимание. Изучая пространство  действие, я обнаружил, при их медленном вращении, что между лопастями было 120°С. А 120  - это неимоверно большое пространство. В частности, конкретно между концами лопастей большая часть ветра течет неэффективно, расходуя много энергии без пользы. Я тогда подумал: если исправить этот изъян – механизм будет вращаться гораздо эффективнее. Эта мысль не покидала меня вплоть до возвращения в Алматы, где я немедленно приступил к работе. 

- Для того, чтобы за 12 лет не потерять веру в успех, нужно невероятное упорство или сильная моральная поддержка. Не появлялись ли мысли бросить начатое и попробовать заняться чем-то другим?

- За эти двенадцать лет я ни разу не терял уверенности в конечном успехе, несмотря на то, что неудачи сменяли одна другую, а финансы, как говорится, «пели романсы». Во весь голос. Возможно, природное упорство досталось мне от отца, который, в свое время был председателем колхоза и был известен среди односельчан твердым и волевым характером. Кроме того, меня сильно поддерживали близкие мне люди. Мне сильно помогал мой сын Ержан, которого я не зря называю соавтором своего изобретения. Он оказывал мне не только моральную поддержку, у него экономическое образование, кроме того, он располагает хорошей физико-математической подготовкой. Благодаря этому, он мог давать мне весьма и весьма дельные советы. Наиболее приближенный к конечному вариант чертежа нашей конструкции я начертил 2 января 2012 г.  Неделю я занимался чертежами, а затем попытался начать писать канву Описания изобретения. Это очень трудный процесс, никак не похожий на написание научных статей. Описание изобретения по статусу напоминает юридические законы, ничего лишнего. Есть там раздел: технический уровень, где должны отражаться анализ близких аналогов, а в формуле изобретения каждое слово имеет свое весомое значение. Два варианта изобретений я писал целый год, а потом доводил в течение трех месяцев. Все это время я обращался за консультацией в Филиал Института интеллектуальной собственности в г. Алматы и ряд отзывчивых сотрудников мне оказали неоценимую помощь, чтобы привести наши работы в требуемую кондицию, за что я им выражаю свою благодарность. 

- Любые испытания требуют определенных затрат, это является своего рода аксиомой. Любопытно узнать, кто спонсировал ваши исследования?

- Изготовление модели и ее испытание с применением генераторов промышленного изготовления мы проводили на свои средства.  Мы купили две малые ветроустанки мощностью 1 кВт из Германии. На одной из них, между головкой и лопастью установили короткую часть с коленным изгибом нашей конструкции, а на другую - прямое звено такой же длины. К генераторам каждой установки были подключены регистраторы, показывающие пять параметров работы генератора. Регистраторы подсоединили к переносным компьютерам, вращение роторов снимали также на видеокамеры. Испытание провели на Капчагае в течение 11 дней. Скажу откровенно: результаты превзошли мои ожидания. Скорость вращения лопастей ветроколеса с коленным изгибом увеличилась в 0.5-3.5 раза. Электрический ток стал вырабатываться с пропорциональной эффективностью. Без ложной скромности скажу, что благодаря этому результату ветроколесо с коленным изгибом можно назвать инновацией от Казахстана в сфере мировой энергетики.

- Давайте поговорим о рентабельности производства энергии за счет ветра. Насколько этот вариант выгоднее, нежели привычные нам электростанции?

- В настоящее время стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветростанциями, на 20-25% дороже, чем электроэнергия тепловых станций. При этом, основная часть средств уходит на опору, установку и обслуживание. Говоря о развитии ветряной энергетики, я уже упоминал Штаты. В Германии, например, на морском побережье и шельфе  строят ветростанции, там государство активно поддерживает это направление и оказывает частичную финансовую поддержку. В этой области впереди планеты всей находится Китай, который активно строит ветростанции, понимая, что потепление климата не за горами, а это, в свою очередь принесет с собой катаклизмы и большой экономический ущерб. Поэтому это самый разумный путь ухода от неприятностей.

- На какой стадии сейчас находится развитие ветровой энергетики у нас в стране, по вашему мнению?

- В Казахстане ветроэнергетика начинает развиваться только в последние 2-3 года. В нашей стране есть ряд мест (Джунгарские ворота, Северное побережье Каспия, Кордайский перевал, Сюгатинская долина), где ветер дует в течение 220-230 дней в году. В настоящее время ветростанции действуют в Кордайском перевале, в Ерейментау, Чилике, Капчагае. Мы с удовольствием предлагаем наше изобретение для испытания и применения в новых ветроэнергетических установках, которые будут вновь использованы в этих регионах. Возможно, это простимулирует развитие ветроэнергетики в нашей стране более быстрыми темпами.     

- Все-таки, раз стоимость добычи ветроэнергии дороже традиционного способа, в чем ее преимущества с точки зрения рационализма?

- Хотя бы в том, что ветроэнергетика фактически не имеет недостатков, она не загрязняет природу и обеспечена нескончаемым ресурсом бесплатной энергии. Энергия из воздуха – что может быть лучше и заманчивее? Ветростанции можно строить в самых разных местах. А новая конструкция ветроколеса с лопастями с коленным изгибом может в корне изменить само производство ветроустановок и ветроэнергетики в целом. Мы считаем, что с применением нашей конструкции лопастей, коэффициент полезного действия роторов повышается в целом более чем двое. Это позволяет применить  более мощные генераторы, снизить массу опоры, гондолы, других механизмов и материалов. Себестоимость электроэнергии, получаемой от ветростанции, кратно снизится, это поднимет приоритет ветроэнергетики. Возможно, часть хозяев тепловых станций начнут финансировать ветроэнергетику, поскольку понимания население быстро поймет, какую установку будет приходить пользу, и они потребуют перемены в системах энергообеспечения.  

- Зафиксирован ли за вами официально факт изобретения ветроколеса с коленным изгибом?

- Свои изобретения мы закрепили 5 патентами Казахстана, но еще нужно, чтобы они получили поддержку Международной организации. Независимо от этого отдельные производители могут использовать наше изобретение и выпускать продукцию с нашим ветроколесом. В этом случае, возникнут правовые вопросы. Конечно, их можно решить консенсусом. Однако более перспективно, если наша страна сама стала бы производить короткую часть лопасти с коленным изгибом или организовать совместное производство ее с заводами других стран. В этом случае можно переоборудовать уже действующие ветроустановки, снабдив их также более мощными генераторами.  При тех же параметрах опоры, гондолы и длине лопастей, ветроустановка будет давать электроэнергию более чем 2 раза. При строительстве новых ветроустановок должна быть запланирована мощность генератора, возможно, это будут спаренные генераторы, размещенные в переднюю часть гондолы или два генератора расположенные в двух концах гондолы. Технические преимущества ветроколес с лопастями с коленным изгибом, перед роторами с прямой лопастью очевидны. Поэтому мы уверены, что все ветроэнергетические установки впредь будут оборудованы с лопастями нашей конструкции. 

- Вы выставляли ваше творение на ЭКСПО-2017. Поделитесь вашими впечатлениями о Выставке в целом. Понравилось ли вам там? И что именно?

- Скажу так: по моему мнению, весь городок ЭКСПО, отстроенный за очень короткий срок, был создан с любовью. Отсюда вытекает и красота его построений, футуризм и яркость, столь пришедшиеся по душе иностранным гостям. И это неудивительно, поскольку подобная архитектура располагает к мыслям о прекрасном. К слову, я тщательно изучил интересной формы арматуры на 7м этаже казахстанского павильона. Знаете, что интересно? Как правило, стыки гнутых труб, из которых, по моему убеждению,  сделаны эти арматуры, видны, что выглядит не очень эстетично. Здесь же, все выглядит идеальным, что говорит о высоком уровне строителей, работавших над ним. В целом же, городок ЭКСПО, на мой взгляд, представляет собой сублимат всего самого лучшего от нашей прекрасной столицы. Подводя черту под вышесказанным, хочу отметить, что природа одарила нас всем необходимым. Нам остается лишь рационально всем этим воспользоваться и неустанно заниматься саморазвитием. Как показывает мировая практика, это наиболее безошибочный путь к успеху в любом направлении. Все барьеры у нас в голове, и с ними нужно беспрестанно бороться. Ведь, не зря древняя мудрость гласит: победил себя – победил весь мир. Думаю, наш народ сейчас находится на верном пути.

- Что дало вам участие в ЭКСПО? 

- В первую очередь, конечно, то, что мое творение смогут увидеть люди из самых разных стран. Но, безусловно, по достоинству его оценить из тысяч посетителей смогут лишь специалисты и непосредственно производители ветроустановок, чье мнение является наиболее важным для каждого изобретателя. В целом же, демонстрируя свое ноу-хау, мы – изобретатели – составляем общую картину об инновационных достижениях Казахстана. За это отдельное спасибо организаторам ЭКСПО-2017. Больше всего, в этой Выставке мне импонирует ее благородная конечная цель по переходу к Зеленой экономике. Не нужно забывать о том, что наша природа и наша экология не нужны никому, кроме нас. Возможно, сейчас мы делаем лишь первые шаги в данном направлении, но главное – оно выбрано. И будущие поколения скажут нам большое спасибо за то, что мы сохранили для них нашу страну в ее первозданном виде.

- Какие еще павильоны и технологии Вам приглянулись на ЭКСПО-2017? 

- В день мы  по-нескольку часов работаем в нашем павильоне. Ежедневно сюда приходят очень много посетителей, некоторым интересно про энергия ветра, особенно интересуются отличие  ветреной конструкии и чем она полезна. Мы объясняем людям технику желкалака. В свободное время мы посещаем другие павильоны. Мне очень нравится как используют концепции  жангырмалы энергия Венгрии и Германии. Венгры  презентуют свой павильон с «деревом жизни», или, если быть еще точнее – с «корнями жизни».  Жизнь на земле характеризуют лишь несколько элементов: лучи солнца, немного воды и хлорофилл. Поэтому, по мнению мадьяров, вся жизнь сосредоточена именно в ветвях этого самого дерева. Их благосостояние заключается не только в хорошо развитом производстве, но и в богатейших флоре и фауне, здесь человек тесно связан с природой. Это говорит о том, что в этой стране уделяют большое внимание экологическим проблемам, что должно стать примером и для посетителей венгерского павильона.  

В свою очередь, Германия – страна с отлично развитой промышленностью и высокой плотностью населения. Поэтому, обеспечение населении энергией является немалой проблемой этой страны. Приостанавливая деятельность атомных и тепловых электростанций, поэтому возобновляемым источникам энергии здесь уделяется повышенное внимание. В этой стране более 9% от всей энергии производится за счет ветра. А в данный момент немцы активно осваивают и солнечную энергию, там это хорошо практикуется. К слову, немецкие ученые помогали внедрять альтернативную энергетику и в Казахстане. Но для нас также интересен и африканский павильон. Нам хорошо известны как их географическое, так и экономическое положение. Каждая страна этого континента нанесена на карте, и информации об этих странах предостаточно. В то же время, сейчас эти страны стараются извлечь пользу из энергии солнца и воды. Те станции, которые строятся у них сейчас, уже являются поистине народным достоянием. А их сделанные вручныю сувениры украсят любой дом.

- Когда, по Вашему мнению  Казахстан перейдет на более активное использование Зеленой энергетики?

- В Казахстане уже на протяжении 4-5 лет практикуются ветреная и солнечная энергия. В Караганде есть завод, который производит метало кремний и солнечные панели. Для того, чтобы повысить качество коэффициента полезного действия, нужно чтобы используемый продукт был чистым. И думаю, что скоро у нас это получится. Давно знаем, что когда строили гидроэлектростанцию, мы остановились на использовании в этих целях трех-четырех рек. Но, ведь есть еще и горные реки, которые мы еще не можем освоить. Создание и использование простых запруд – это очень мало, нужно альтернативную энергетику еще и другими путями внедрять. 

- Благодарим за беседу!
 

Подпишитесь на наш Telegram-канал и узнавайте новости первыми!