ВЭС нового поколения - Энергетика и промышленность России - № 10 (174) май 2011 года - WWW.EPRUSSIA.RU - информационный портал энергетика
16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/174/13011.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 10 (174) май 2011 года

ВЭС нового поколения

Новые технологии Александр ЯКОВЕНКО

Вопросы развития ВЭС стали главной темой обсуждения на второй национальной конференции Российской ассоциации ветроиндустрии, которая прошла в Москве в ноябре прошлого года.

По подсчетам ассоциации, рост рынка ветроэнергетики в мире в 2009 году составил 31 процент, причем доля нашей страны на этом рынке составила всего лишь… 0,013 процента!

Жизнь современной цивилизации невозможна без энергии, в основном тепловой и электрической. В настоящее время 80 процентов энергии дают ископаемые (углеродистые) источники. Но ученые и экономисты предсказывают, что уже к 2050 году использование топливной энергии в мире, в силу расточительной выработки основных месторождений, сократится до 40‑45 процентов.

За рубежом, возможно, так и будет – там для этого нужно лишь увеличить количество энергии, получаемой из возобновляемых источников. Последние уже давно имеют вес в энергетическом производстве многих стран. Нам же придется развивать «альтернативу» почти с нуля.

По расчетам правительства России, к 2020 году общая выработка электроэнергии в нашей стране должна составить около 1895 миллиардов кВт-ч. При этом доля тепловых станций будет равна 65 процентам, ГЭС – 13 процентам, АЭС – 18 процентам. И лишь четыре оставшихся процента приходится на долю новых возобновляемых источников.

Но даже из этих четырех к реально «чистым» способам добычи можно отнести только один процент. То есть 99 процентов энергетики РФ, по разным причинам, будут являться или нерентабельным производством, или опасным для человека и уязвимым для экономики.

Нерентабельным, например, потому, что доля плотинных ГЭС, которая сейчас составляет 19 процентов, к 2020 году уменьшится до 13 процентов, так как большинство из них находится в аварийном состоянии, а восстанавливать их дорого и бессмысленно.


Отсутствие альтернативы

В настоящее время с помощью возобновляемых источников у нас производится всего 0,6‑0,7 процента от общего объема энергии. При этом нет ни одной госструктуры, реально работающей над этой проблемой (в США за нее отвечают три госдепартамента, в Китае и в Индии – по два).

Опыт «мягких» зим последних лет убеждает, что альтернатива топливной энергетике и централизованному энергоснабжению обязательно должна быть – причем устойчивая и многоукладная, опирающаяся на разные виды ресурсов и способы экономии (энергосбережения).

Локальные аварии в энергосетях приносили не так много неприятностей местным властям (больше – потребителю). Но страшно подумать, что будет, если ток отключится сразу в нескольких областях – а эти беды, возможно, у нас впереди.

О новых видах автономных (даже индивидуальных) гидроэнергетических сооружений, работающих в совокупности с автономными тепловыми станциями и ВЭС нового поколения, автор писал уже не раз, в том числе и на страницах «ЭПР».

Ниша малой бесплотинной гидроэнергетики, видимо, так и останется не задействованной у нас еще долго. И это – несмотря на то что наша страна является богатейшей по ресурсу малых и сверхмалых потоков, причем эти потоки максимально приближены к потребителю.

Мини-гидроустановки с обращаемым циклом рабочей жидкости и модным названием «гидроколлайдер» теоретически могут превысить по энергоемкости запасы углеродного топлива. А если к ним присоединить ветроэлектростанции нового поколения или комбинированные гидро-ВЭС, да еще прибавить солнечные генераторы с КПД до 20 процентов (которые ученые обещают создать в скором времени), то возможный диапазон их применения в народном хозяйстве будет достаточно велик.

О новых типах современных и будущих ВЭС автор и хотел бы еще раз сообщить не только обычному читателю, но и особенно – промышленникам, которые, будучи не связаны с топливной энергетикой и не в ущерб последней, могут заполнить, например, нишу энергоснабжения отдаленных районов.



На пути к кризису

Предпочтение топливным технологиям, «разбавленным» ядерными, может привести Россию к энергетическому кризису – особенно в условиях, когда другие страны предпочитают развивать альтернативные способы добычи энергии.

В стратегиях развития зарубежных стран доля возобновляемой энергетики занимает от 15 до 50 процентов. В России же, как мы уже сказали, она составляет чуть больше 0,6 процента и за десять лет ее планируется довести всего лишь до 4,5 процента. Причем стоит учитывать, что  Запад не будет стоять на месте – темпы развития альтернативных источников могут резко увеличиться в связи с новыми эффективными изобретениями в этой области.

Мир находится в ожидании «энергетического чуда», которое решит наши потребительские и климатические проблемы. Но это точно будет не ядерное «чудо», потому что атомная энергетика – это скорее развивающееся чудовище, с которым в дальнейшем, возможно, придется бороться. Оно таит в себе две неразрешимые проблемы: утилизацию отходов и безопасность эксплуатации в условиях учащающихся природных катаклизмов.

Да и пресловутая низкая цена за кВт-ч вырабатываемой на АЭС энергии, о которой нам говорят, на самом деле явно занижена. Производители скромно не учитывают добычу сырья, его переработку, доставку и хранение, ликвидацию отходов и т. д. К тому же запасы урана, как и ископаемого топлива, не так уж велики.

Какое бы топливо ни использовалось, оно все равно должно гореть, уничтожаться и разрушать экологию.



Столбы с пропеллерами

Но вернемся к ветроэнергетике (я бы назвал эту энергетику атмосферной) – сначала к традиционной. То есть – к тем пространствам, которые «засеяны» высокими мачтами с ветряками.

По нынешним западным меркам, энергия, получаемая с помощью этих многотонных опор, давно уже не считается идеальной. От ветряков отказываются, их переносят подальше – например, в море и в горы. При этом увеличиваются затраты на строительство станций и ЛЭП, что ведет к значительному подорожанию кВт-ч (до трех раз).

В частности, это происходит потому, что, как утверждают медики, из‑за близкого расположения к ветроустановкам у человека могут возникать болезни сердца, приступы паники, мигрени и т. д.

В мире ищут более чистые ветроустановки. Естественно, параллельно идет поиск рынка сбыта морально устаревших ветряных пропеллерных «монстров».

В рынок сбыта, помимо Китая, Индии и других развивающихся стран, попала и Россия. Например, чиновники жаждут засеять импортными «столбами с пропеллерами» поля Кубани и Калмыкии. Но при этом забывают поставить вопрос: а будут ли они полезны для производства и безопасны для окружающей природы?

Новая ветроустановкаВообще, ставится вопрос, будут ли они работать в условиях России рационально? Ведь средняя скорость ветра на большей территории нашей страны – 4,5 м / сек. А эффективное использование западных ВЭС начинается с 7‑9 м / сек, а некоторых – и с 11 м / сек. То есть дорогостоящее оборудование будет простаивать более 60 процентов времени в году, и еще 20 процентов времени – еле крутиться.



Станция-санаторий

К наиболее эффективным и чистым ВЭС можно отнести новейшие предложения отечественных и западных инженеров-изобретателей, обративших внимание на создание различных типов роторных турбин для индивидуальной энергетики.

Мы поговорим о российских разработках, так как западные и без того имеют возможность реализации, в то время как наши (даже гениальные) зачастую не востребованы десятилетиями.

Например, немецкий инженер Эд Мазур предложил гигантский «турбовентилятор» на магнитной подушке, имеющий большое преимущество перед пропеллерными ветроагрегатами. Однако изобретатель А. Н. Русецкий еще десять лет назад разработал такую же схему ВЭС, но с более широкими возможностями. Его агрегат имеет вертикально вращающуюся турбину и большой диапазон используемых скоростей ветра. Кроме того, есть масса других «полезностей»: размещение его возможно и на суше, и в горах, и в качестве автономно плавающего комплекса на морской платформе, совмещенного с подводными турбинами; установка может работать как опреснитель, как волновая ГЭС, как гостиница-санаторий или мини-завод для переработки морепродуктов. Действующую модель такого «энергетического технопарка» инженер строит в настоящее время на одном из затонов в Москве.



На смену «монстрам»

Понятно, что «ветряки» рано или поздно надо будет чем‑то заменять. Новые ВЭС должны быть бесшумными, необходимой мощности, экологичными и если и иметь опоры, то такие, что эстетично впишутся в окружающий ландшафт или архитектуру строений. Главное – они должны быть недорогими и технологичными в производстве, а также простыми и долговечными в эксплуатации.

Автор и его соратники разработали установки, которые полностью соответствуют перечисленным требованиям. Они подтверждены не только схемами и рисунками, но и действующими моделями и патентами.

Например, есть идея, как в будущем «безболезненно» заменить пропеллеры нынешних ветроустановок на эффективные турбины. То есть использовать существующие опоры, но сделать ВЭС более эффективными и безопасными, почти не потеряв мощности. Здесь решается та же проблема, что и с плотинными ГЭС, которые стареют очень быстро, восстанавливать их дорого, а сносить – еще дороже. (О судьбе крупных и малых плотинных ГЭС уже сейчас надо задумываться, их содержание скоро «съест» всю предшествующую выгоду, полученную от их эксплуатации).

Автор позволит себе привести выдержки из аналитических статей ученого и изобретателя из Владивостока С. А. Лисняка, посвященных ветроагрегатам с вертикальной осью вращения (виндроторам).



Агрегаты с вертикальной осью

Эти ветроагрегаты в девятнадцатом веке придумал шведский инженер Савониус. Причем нечто подобное было найдено и в древнеегипетских раскопках.
Ветроколесо Савониуса представляет собой два (и более) полуцилиндра, закрепленных вокруг оси вращения.

Главное достоинство ветроколеса Савониуса в том, что оно непрерывно вращается в одну и ту же сторону, независимо от направления ветра.

А самый большой его недостаток определяется очень низким коэффициентом использования энергии ветра – около 0,15! Это можно объяснить тем, что один полуцилиндр эффективно работает только в угле (секторе) поворота ветроколеса не более 90°, независимо от числа лопастей. Энергетическая эффективность таких ветряков при прочих равных условиях в три раза ниже классических.

Есть также конструкции ортогональных ветряков, в которых плоскости, движущиеся против ветра, выполняются подвижными относительно траверсы, но и у них коэффициент использования ветра не превышает 0,3.

Советский изобретатель Б. С. Блинов в 1960‑е годы усовершенствовал колесо Савониуса. Он изменил форму лопастей и установил их параллельно друг другу, чтобы использовать отраженные потоки, а также – реактивный момент уходящего потока.
Угол использования ветрового потока агрегата Блинова достигает 120°. Однако недостатком здесь является необходимость повышения эффективности с помощью этажерочной конструкции из нескольких колес.

Каждая верхняя «этажерка» повернута на некоторый угол относительно нижней. Этим достигается непрерывное использование ветра по всему кругу вращения.

В попытке усовершенствования колеса Савониуса был придуман также и ветроагрегат с вертикальными аэродинамическими плоскостями.

Коэффициент использования ветра у этой конструкции не больше, чем у агрегата Блинова. Зато приходится усложнять систему автоматического управления пространственным положением плоскостей. Попытки внедрения таких агрегатов, как правило, обречены на неудачу из‑за чрезмерной сложности и ненадежности автоматов управления.

Типичным представителем вихревых ветроагрегатов является конструкция В. Пикуля (патент РФ № 2118704). Несмотря на миниатюрность быстроходной турбины, этот агрегат равнозначен колесу Савониуса по площади входной полости вихревого ветрозаборника. Эффективная энергетическая площадь использования ветра у него составляет не более четверти всей площади воздухозаборника. Плюс – потери на вихреобразование в вертикальной плоскости агрегата. Таким образом, это изобретение интересно как одна из модификаций ветряков с вертикальной осью, но оно никак не является кардинальным решением использования энергии ветра.



Повышение эффективности ветряков

В области решений различных технических проблем ветроэнергетики есть способы «фазовые» –
использующие методы поворота или превращений и дающие в результате положительный эффект, и способы сложения или умножения различных эффектов.

Например, у колеса Савониуса поворот полуцилиндра лопасти на 90º, то есть в горизонтальное положение относительно оси полуцилиндра, дает резкое – почти в полтора раза – увеличение угла действия ветра. Испытания двух вариантов лопастей Савониуса, вертикального и горизонтального, одинаковых по площади, показали увеличение мощности ветряка почти на 50 процентов при горизонтальном расположении лопастей!

Это явление можно объяснить достаточно просто, если рассмотреть в горизонтальной плоскости взаимодействие ветра и ветроколеса. Тогда будет очевидно, что сектор действия ветра увеличился почти до 180º поворота колеса, и во взаимодействие с ветром вовлечены как минимум три лопасти из четырех. Таким образом, поворот лопасти Савониуса на 90º от вертикальной оси повышает коэффициент использования энергии ветра с 0,15 до 0,3.

Ученый Н. Е. Жуковский, создатель аэродинамики, предложил в свое время для увеличения подъемной силы аэропланов использовать на небольших скоростях так называемое разрезное крыло, состоящее из нескольких частей.

Если лопасть ветряка собрать наподобие профиля такого крыла, можно получить увеличение коэффициента использования энергии ветра до величины, равной почти единице! Подобное трехлопастное крыло, каждая лопасть которого состояла из трех горизонтальных полуцилиндров Савониуса, было испытано в 2002 году. Для сравнения использовалось колесо с тремя вертикальными лопастями.

Диаметр ветроколес составлял один метр, ширина лопастей – 20 сантиметров. При скорости ветра около 7 м / сек простое колесо выдавало мощность не более 50 Вт. А колесо с горизонтальными лопастями в виде разрезного крыла давало мощность на валу более 150 Вт!

Аэродинамический анализ показывает, что эффективность такого агрегата превосходит даже классический вариант с крыльчатым ветроколесом и совершенно исключает импульсную работу при изменчивости ветра.

В результате исследований был получен патент РФ № 2283968 (авторы – С. А. Лисняк и С. В. Вялых). Ветроагрегаты по этому патенту, диаметром до 10 метров, можно проектировать и строить без боковых опор и монорельсов. Их преимущество – в вертикальной компактности, что значительно упрощает монтаж сооружения.

Следующим шагом усовершенствования должна стать разработка регулятора мощности и защиты от ветров со скоростью выше 25‑30 м / сек. Авторы полагают, что подобные инженерные задачи вполне решаемы.

У автора статьи есть и свои решения проблемы чистой ветроэнергетики, которые он разработал с коллегами из Молодежного творческого коллектива «Изобретатель» МГУ природообустройства.

К их числу относится, например, турбина-трансформер на аэростате, которая работает от потока со скоростью 3 м / сек (пока конструкция лопастей турбины не раскрыта, это ноу-хау).



Типы ветроэлектростанций

Условно ветроэлектростанции нового поколения можно разделить на:

1. Микро-ВЭС в виде бытовых установок от 1 до 30 кВт мощности, размещаемых на крышах коттеджей и высотных зданий, а также аэростатах, – с рабочим объемом вращения в пределах от 1 м3 и с выдвижными лопастями-трансформерами.

2. Установки для фермеров, малых предприятий и больших зданий, а также – отдаленных застав и воинских подразделений. Мощность их (от 30 до 300 кВт) образуется путем простого сложения в блок микро-ВЭС (как в горизонтальном, так и в вертикальном креплении). Впрочем, можно создавать и более крупные турбины диаметром до 2‑3 метров.

Интересна также идея размещения ветротурбины на релейных мачтах мобильной связи.

3. Крупные мини-ВЭС, для больших предприятий и городских поселков. Они размещаются в технических этажах или на крышах высотных домов. Мощность – до 600 кВт и более.

4. ВЭС мощностью в 1000 кВт и более. Они могут размещаться на возвышенностях и в горах, выноситься в море на металлических или железобетонных платформах, а также располагаться гирляндами на аэростатной подвеске, причем аэростаты здесь совмещены с ветротурбиной, а энергия вращения передается на землю к генератору тока по гибкому валу.

Но, что особенно важно, рабочие турбины могут быть универсальны, то есть применяться как для ветра, так и для потока воды. Тем более что схема работы одинакова для обеих сред, различны лишь применяемые материалы. Это позволяет создавать комбинированные энергетические комплексы типа гидро-ВЭС, размещаемых на платформах в море (в том числе – нефтяных), на искусственных островах, на донных башнях.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 10 (174) май 2011 года:

  • Наш общий лес
    Наш общий лес

    В год, объявленный ЮНЕСКО Всемирным годом лесов, в России стартовал уникальный социальный проект. ...

  • Cветодиодный аналог 75‑ваттной лампы накаливания
    Cветодиодный аналог 75‑ваттной лампы накаливания

    Компания Philips представила новую светодиодную лампу Philips EnduraLED A21 – аналог лампы накаливания 75 Вт. ...

  • Ванинский порт привлекает угольщиков

    Федеральная антимонопольная служба обнародовала список из семи компаний, готовых бороться за контрольный пакет Ванинского торгового порта (Хабаровский край). ...

  • Энергоэффективность-2011
    Энергоэффективность-2011

    ЧТО: XIII специализированная выставка «Энергетика. Энергоэффективность. 2011». ГДЕ: Саратов, Манеж Дворца спорта. СОСТОЯЛОСЬ: 26‑28 апреля 2011 года....

  • Ваш потенциальный партнер
    Ваш потенциальный партнер

    Минский электротехнический завод – инновационный подход к конструкции и схеме подстанций 6 (10)/0,4 кВ мощностью 630 и 1000 кВА. ...