Альтернативная энергетика — например, энергия солнца или ветра — дает нам возможность использовать постоянно возобновляемый природный ресурс, добыча которого не вредит окружающей среде и не требует затрат на его извлечение, переработку, транспортировку и так далее. Для получения энергии ветра требуется установка ветрогенератора.
Ветрогенератор, или ветроэнергетическая установка, преобразует ветровой поток сначала в механическую энергию вращения вала, а потом с помощью электрогенератора в электрическую энергию. Когда ветер обтекает лопасти ветроколеса, оно начинает вращаться, и можно получать электроэнергию от данного вида возобновляемой энергии.
Современные ветроэнергетические установки с ветроколесом аэродинамического типа имеют достаточно высокий КПД — в ветроэнергетике он называется коэффициентом использования энергии ветрового потока. Понятно, что мы не можем использовать всю энергию, которая проходит в периметр ветроколеса. Согласно критерию Беца — Жуковского, максимально возможный коэффициент использования энергии ветра составляет 0,59, а современные энергетические установки достигают 0,5. Если его условно представить в виде КПД, то это было бы более 84%. Это очень высокий КПД. Для сравнения: КПД у паровых турбин около 30%, газовых — 34%. Диаметр ветроколеса мощностью 3 мегаватта составляет порядка 100 метров — оно устанавливается на башне высотой от 100 метров.
Почему у ветрогенератора три лопасти
В работе ветрогенератора важным параметром является быстроходность ветроколеса — это отношение линейной скорости конца лопасти к скорости набегающего потока. В результате многочисленных исследований выяснилось, что наиболее эффективно преобразуют энергию ветрового потока ветроколеса, имеющие быстроходность (то есть это отношение), равную 6–7. Таких значений достигают ветроустановки с тремя лопастями. Бывают и однолопастные, и двухлопастные ВЭУ. Часто в американских вестернах можно увидеть ветроагрегаты с большим количеством лопастей, которые довольно медленно вращаются.
Нередко в установках используют системы преобразования частоты вращения (редуктор, иногда это называют «мультипликатор») между ветроколесом и электрогенератором. То есть ветроколесо вращается, например, с частотой 18–20 оборотов в минуту, а редуктор преобразует частоту вращения генератора в тысячу оборотов. Тем самым оптимизируется работа ветроколеса и работа генератора. Однако применение редуктора снижает общий коэффициент полезного действия всего ветроагрегата. Поэтому по возможности нужно иметь такие ветроагрегаты, которые не имели бы редукторов. Сейчас инновации заключаются в более широком применении возможностей силовой электроники при управлении качеством электрического тока и новых типов генераторов, которые позволяют избавиться от редуктора.
Показатели ветроагрегата
Основная проблема повышения эффективности ветроагрегатов — повышение коэффициента использования энергии с помощью ветроколеса. Это широкая сфера для применения новых материалов и новых технологий при изготовлении лопастей для ветроагрегатов.
На заре развития ветроэнергетики лопасти изготавливали из дерева или металла. Они имели очень жесткие характеристики и не позволяли ветроколесу эффективно преобразовывать энергию ветрового потока. Но в дальнейшем стали применять различные полимеры, стеклопластики, композитные и другие материалы. При этом приходилось практически вручную изготавливать ветроколесо. Нужно было тщательно шлифовать поверхности, чтобы шероховатость ветроколеса была как можно меньше для качественного преобразования энергии ветрового потока. Применение синтетических материалов позволяло делать лопасти более эффективными, гладкими, гибкими и упругими, но ручное изготовление значительно более трудоемкое. Думается, в дальнейшем можно будет изготавливать лопасти, в том числе и значительной длины, на основе цифрового проектирования, то есть 3D-моделирования. Компьютерное моделирование позволяет использовать роботизированные системы для изготовления лопастей, которые получаются идентичными друг другу, не требуют специальных систем балансировки и выпускаются сразу с полной готовностью.
С использованием принципов цифрового проектирования и технологий 3D-моделирования мы в нашем научно-образовательном центре «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» Санкт-Петербургского Политеха запроектировали и изготовили лопасть ветроколес для ветроагрегата, адаптированного к низким скоростям ветра. Например, в регионе Москвы, да и во многих других районах срединной части России, среднегодовая скорость ветра на высоте флюгера — около 3,5 метров в секунду, и для этого нужен специальный профиль лопасти. С использованием мощного суперкомпьютера, имеющегося в Политехническом университете, было проведено моделирование и оптимизировано ветроколесо, была построена цифровая модель трехлопастного ветроколеса и распечатана на 3D-принтере. Данная модель была исследована в аэродинамической трубе для подтверждения его характеристик. Затем цифровым способом был создан шаблон, и на его основе было изготовлено ветроколесо диаметром 6 метров для ветроустановки мощностью 2 киловатта. В настоящее время она успешно работает с очень высоким коэффициентом использования энергии ветра— 0,46.
Материал для лопастей подбирается в зависимости от действующих нагрузок. Желательно, чтобы он был также электропроводный, чтобы можно было обеспечивать молниезащиту ветроагрегата, пропуская через лопасть высокие напряжения и гасить их в основании ветроагрегата. Поэтому материалы и конструкция ветроагрегаты должны быть адаптированы к тем условиям, в которых будет эксплуатироваться ветроэнергетическая установка.
Адаптация ветрогенератора
Есть понятие адаптационных мероприятий. При внедрении ветроустановки нужно учитывать те климатические условия, которые могут встретиться при эксплуатации ветроустановки, — особенно актуально это для сегодняшнего освоения Арктики. Ведь кроме низкой температуры могут быть и другие сложности для работы, такие как заиндевение лопастей, резкие, порывистые ветра или вечная мерзлота. Строительство на вечной мерзлоте требует специальных технологий. Внедряя адаптационные мероприятия, мы вносим дополнительные затраты в изготовление этого ветроагрегата. Но при этом он будет работать более длительное время в суровых климатических условиях и больше вырабатывать электроэнергию. Хотя можно пойти по другому пути: останавливать работу ветроагрегата в период экстремальных условий и недовырабатывать энергию, а потом снова запускать.
Резкие порывы ветра влияют на характер преобразования ветровой энергии, поскольку ветроколесо в порывах стремится раскрутиться больше или, наоборот, меньше. Происходят колебания напряжения и частоты вращения, и это негативно влияет на качество электроснабжения. Сейчас существуют электротехнические комплексы, которые позволяют компенсировать колебания параметров электрического тока, — так называемые системы полного преобразования электрической энергии. В этом случае первоначальная некачественная энергия инвертируется сначала в постоянный ток, а потом конвертируется снова в переменный с требуемыми параметрами электрической сети. Тем самым ветроустановка не вносит диссонанса в работу энергосистемы.
Электроэнергия ветрогенератора
Ветрогенератор диаметром 6 метров имеет мощность 2 киловатта. В частном доме установленная мощность электрооборудования — 10 киловатт. Но они, как мы понимаем, работают не все одновременно. Есть какой-то график нагрузки энергопотребления. Поэтому для автономного или частного энергоснабжения, например, ветроагрегат мощностью 10 киловатт в условиях среднегодовой скорости ветра порядка 5 метров в секунду может обеспечить частный дом электроэнергией. И конечно, должен быть какой-то аккумулятор энергии, чтобы перераспределять энергию в периоды несовпадения прихода и потребления.
Для сетевого энергоснабжения большой мощности ветрогенераторы всегда устанавливаются совместно и образуют ветропарки. Мощность сетевых ветропарков достигает сотен мегаватт. Этого достаточно, чтобы обеспечить электричеством целый город.
Очевидно, самое главное для работы ветроустановки — наличие ветра. Эффективно использовать энергию ветра там, где его среднегодовая скорость на высоте флюгера превышает 4,5–5 метра в секунду. Конечно, в маловетреных местах устанавливать ветроагрегат нерационально, поскольку он большую часть времени будет простаивать. Другой важный показатель — это диаметр ветроколеса, который характеризует возможную мощность ветрового потока. Ветер со скоростью 10 метров в секунду дает мощность примерно 300 ватт с квадратного метра. Следовательно, если мы хотим иметь 3 киловатта, то диаметр ветроколеса должен быть не менее 20 метров, поскольку используется только половина от всей энергии.
Есть разные принципы работы ветроэлектростанций для производства электроэнергии. Для крупных сетевых ветропарков они, как правило, работают параллельно с сетью и выдают столько энергии, сколько позволяет ветровой поток. Аккумулированием энергии занимается системный оператор. Он заботится о том, чтобы был какой-то резерв мощности, который нужно будет подключать для компенсации недовыработки ветростанции. Если же говорить о работе в автономной энергосистеме, где ветроагрегат является основным генерирующим оборудованием, то, конечно, в ней нужно использовать какие-то системы аккумулирования энергии, для того чтобы в часы недовыработки передавать ее в сеть. Можно использовать электрохимические аккумуляторы. Но могут быть и совсем другие схемы. Для больших объемов аккумулирования — 1000 и более мегаватт в час — могут быть использованы гидроаккумулирующие электростанции, которые потребляют электроэнергию, когда она в избытке, и отдавать, когда она в дефиците.
В настоящее время на рынке аккумулирующих систем 92% занимают именно гидроаккумулирующие электростанции. Другой вариант — воздушное аккумулирование ветровой энергии: когда образуется избыток энергии от работающих ветроагрегатов, с помощью систем привода компрессоров воздух закачивается в подземные емкости, а когда нужно производить энергию, подключается воздушная турбина, которая производит электрическую энергию. Существуют также схемы — например, сверхпроводящие индукционные накопители и суперконденсаторы.
Преимущества и перспективы ветроэнергетики
Главное преимущество — использование возобновляемого ресурса, дарованного природой, который ничего не стоит. Также это экологически чистый источник энергии, поскольку он практически не загрязняет окружающую среду. А те загрязнения, которые он вносит, например шумовые, поддаются расчету и оптимизации с точки зрения размещения на местности. Еще одно преимущество — это распределенная система генерации, то есть несколько установок в разных местах вместо одной большой. Скажем, если происходит какая-то авария, выход из строя одного из таких агрегатов не наносит никакого ущерба при эксплуатации энергосистемы. Безусловно, есть и недостатки, связанные с тем, что все-таки это низкопотенциальный ресурс, который требует для своего извлечения достаточно материалоемкие и высотные конструкции.
Однако очевидно, что направление ветроэнергетики является очень перспективным, ведь в настоящее время установленная мощность ветростанций в мире составляет более 500 миллионов киловатт, а ежегодный прирост мощности — более 10–15%.