Ветроэнергетика, один из столпов глобального энергоперехода, столкнулась с вызовом собственного роста. Привычные ветроэнергетические установки с одним гигантским ротором достигают пределов своих физических и экономических возможностей. Лопасти длиной свыше ста метров, сопоставимые с размахом крыльев крупнейших самолетов, создают колоссальные трудности – от производства и транспортировки по обычным дорогам до сложнейшего обслуживания, особенно в морских условиях. Погоня за мегаваттами приводит к тому, что рост массы и стоимости компонентов начинает опережать прирост выработки энергии, замедляя снижение ее итоговой стоимости для потребителя. На этом фоне инженеры и ученые по всему миру активно переосмысливают сам дизайн ветрогенератора, предлагая альтернативный путь – многороторные ветряные турбины.
Концепция, зародившаяся еще в 1930-х годах, сегодня переживает ренессанс. Идея проста и элегантна: вместо одной гигантской и дорогостоящей конструкции используется система из множества небольших, стандартных роторов, установленных на единой опорной структуре. Такой подход позволяет обойти так называемый «закон квадрата-куба», согласно которому масса объекта растет пропорционально кубу его размеров, в то время как площадь, от которой зависит мощность ветротурбины, – лишь квадрату. Замена одного массивного ротора на несколько легких открывает путь к значительной экономии материалов, что напрямую влияет на капитальные затраты. Исследования в рамках европейского проекта INNWIND показали, что многороторная система мощностью 20 МВт может обеспечить снижение приведенной стоимости электроэнергии на 16% по сравнению с однороторным аналогом.
Преимущества не ограничиваются экономикой. Компьютерное моделирование и первые эксперименты выявили интересный аэродинамический эффект: близко расположенные роторы начинают взаимодействовать, слегка блокируя и ускоряя воздушный поток между собой, что может приводить к небольшому, но важному увеличению суммарной выработки энергии – от 1 до 8% в зависимости от конфигурации. Более того, турбулентный след за такой установкой восстанавливается быстрее. Это означает, что в рамках ветропарка турбины можно размещать плотнее, повышая эффективность использования земельных или морских участков. Логистика также кардинально упрощается. Компактные лопасти и компоненты можно перевозить стандартным транспортом и монтировать с помощью менее мощной техники, что особенно актуально для труднодоступных наземных площадок и снижает стоимость морских операций, избавляя от необходимости привлекать дорогостоящие специализированные суда.
Несмотря на очевидные перспективы, путь многороторных систем к широкому внедрению сопряжен с серьезными инженерными задачами. Увеличение числа движущихся частей создает сложную систему, требующую продвинутых алгоритмов управления и контроля. Одной из главных проблем, которая привела к неудаче ранних прототипов в 1980-х годах, были вибрации и усталостные нагрузки на несущую конструкцию. Современные исследования показывают, что эффект «усреднения нагрузки», когда порывы ветра воздействуют на разные роторы в разное время, может сглаживать пиковые нагрузки на башню. Однако вопрос долгосрочной надежности и усталости материалов сложной опорной фермы все еще требует детального изучения и подтверждения на практике. Большинство выводов пока основаны на симуляциях, и научное сообщество отмечает острую нехватку данных, полученных с полномасштабных действующих прототипов.
Тем не менее, концепция уже выходит из лабораторий в реальный мир. Датский гигант Vestas еще в 2016 году построил демонстратор с четырьмя роторами. Стартапы, такие как шотландский Myriad Wind Energy Systems и норвежский Wind Catching Systems, разрабатывают модульные наземные и плавучие морские платформы, состоящие из десятков и даже сотен роторов. Недавно китайская компания Mingyang установила в море двухроторную турбину OceanX мощностью 16.6 МВт, заявив о приросте выработки на 4.29% по сравнению с однороторной версией. Эти проекты – важный шаг к получению эмпирических данных, которые либо подтвердят оптимистичные прогнозы, либо укажут на скрытые трудности. Исследователям предстоит найти оптимальный баланс между количеством роторов, сложностью конструкции и надежностью, чтобы превратить многороторные турбины из смелой идеи в эффективный инструмент для будущего чистой энергетики.
