Современные вэс и особенности их конструкции

УДК 621.311

СОВРЕМЕННЫЕ ВЭС И ОСОБЕННОСТИ ИХ КОНСТРУКЦИИ

М.В. Шевченко

Рассматриваются современные ветроустановки, их конструкционная безопасность, а также приводится таблица проектирующихся и строящихся ветроэлектростанций.

The article touches upon the problem of modern wind power stations as well as its construction safety. It also shows the table ofprojected and under construction wind power stations.

Что представляют собой ветроэлектростанции, которым отводится серьезное место в энергетике XXI в.? Они мало чем напоминают своих древних собратьев - парус и ветряную мельницу, хотя принцип работы ветроагрегатов практически не изменился: под напором ветра вращается колесо с лопастями, передавая крутящий момент другим механизмам, причем чем больше диаметр колеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и быстрее вращается.

Сегодня в мире широко распространены ветродвигатели двух типов: крыльчатые и карусельные. Кроме того, встречаются еще барабанные и другие оригинальные конструкции.

Крыльчатые ВЭС (их называют также ветродвигателями традиционной схемы) представляют собой лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения. Ветроагрегат вращается с максимальной скоростью, когда лопасти расположены перпендикулярно потоку воздуха. Поэтому в конструкции предусмотрены устройства автоматического поворота оси вращения: на малых ВЭС - крыло-стабилизатор, а на мощных станциях, работающих на сеть, - электронная система управления рысканием. Небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока соединяют с электрогенератором напрямую (без мультипликатора), мощные станции оснащают редуктором.

Мощность ВЭС зависит от скорости ветра и размаха лопастей ветроколеса. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ВЭС (чаще всего их ветроагрегаты бывают двух- или трехлопастными) намного выше, чем у других ветряков, - недаром они занимают более 90% рынка.

Карусельные, или роторные, ВЭС с вертикальной осью вращения могут работать, в отличие от крыльчатых, при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Когда ветровой поток усиливается, карусельные ВЭС быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения ветроколеса стабилизируется. Ветродвигатели этой группы тихоходны, поэтому не создают большого шума. В них используются многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет применять простые электрические схемы без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра.

Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает. Подобные ветродвигатели с лопастями разной формы строят в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде, Финляндии. Идея карусельного ветродвигателя в виде так называемого роторного паруса была реализована на знаменитом исследовательском судне «Калипсо», построенном по заказу Ж.И. Кусто. По данному типу спроектирована в Белоруссии одна из ВЭС номинальной мощностью 250 кВт [2].

Существуют роторные ВЭУ с лопастями того же профиля, что и у крыльев «дозвуковых» самолетов, которые, прежде чем опереться на подъемную силу, должны разбежаться. С ветроагрега-тами происходит то же самое. Чтобы раскрутить и довести их до определенных аэродинамических параметров, сначала нужно подвести энергию извне. Только после этого ВЭУ начнут работать в режиме генератора. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при 14-16 м/с. Предварительные расчеты показывают, что ортогональные установки смогут вырабатывать электроэнергию мощностью от 50 до 20 тыс. кВт.

Из недавно появившихся оригинальных проектов стоит назвать ВЭС принципиально новой конструкции, состоящую из фундамента, трехопорного несущего основания и смонтированного на нем кольцеобразного генератора со встроенным подшипником и центральным ротором. Кольцо генератора может достигать в диаметре 120 м и более. Другой пример - многомодульная ветроустановка, состоящая из одного-двух десятков небольших ветроагрегатов [2].

Ветроэнергетика привлекательна не только тем, что не наносит вреда природе. ВЭС можно достаточно быстро установить там, где других источников энергии нет. Однако приходится констатировать, что работа ветроагрегатов сопровождается некоторыми неприятными явлениями, главное из которых - шум. На уровне оси ветроколеса в непосредственной близости от ВЭС мощностью 850 кВт уровень шума составляет 104 дБ. Система управления углом атаки способна уменьшить его, но очень незначительно. На расстоянии 300 м шум снижается до 42-45 дБ (на оживленной улице наши уши страдают больше). В «тесной» Европе на таком расстоянии от ближайшего жилья ВЭС уже ставят, в России же мы имеем возможность удалить их от застройки на 700-1 000 м.

Помимо шума, воспринимаемого человеческим ухом, вокруг ВЭС возникает опасный инфразвук частотой 6-7 Гц, вызывающий вибрацию. От него дребезжат стекла в окнах и посуда на полках. Кроме того, ВЭС могут затруднить прием телепередач. Так было, например, на Оркнейских островах в Англии, когда там в 1986 г. установили экспериментальный ветродвигатель. Тут же от жителей ближайших населенных пунктов начали поступать многочисленные жалобы на ухудшение телевизионного сигнала. Оказалось, что помехи создавались стальным каркасом лопастей и имеющимися на них металлическими полосками для отвода ударов молний. Сами же лопасти, сделанные из стеклопластика, распространению телесигнала не мешали. В подобных случаях около ВЭС стали возводить ретрансляторы.

На Западе проблемы, связанные с работой ветроэлектростанций, успешно решены еще в середине 1990-х гг. Выпуск лопастей для ветроагрегатов освоили лидер аэрокосмической отрасли -концерн НАСА и один из ведущих производителей самолетов - фирма «Боинг». Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. Благодаря этим мерам уменьшился срыв концевых потоков - так называемых вихревых шнуров. Был найден способ борьбы еще с одним недостатком ВЭУ: чтобы птицы не попадали под вращающиеся лопасти, ветроколеса стали ограждать сетчатым кожухом.

В современных ВЭС воплощено множество технических идей, отвечающих последним достижениям науки. Вот далеко не полный перечень уникальных систем и механизмов, обеспечивающих эффективную и безопасную работу ветроэлектростанций:

1. Система динамического изменения угла атаки (изменяет угол заклинивания лопастей, удерживая тем самым нужный угол атаки).

2. Система динамического регулирования скорости вращения ветроколеса в зависимости от нагрузки и скорости ветра (выбирает оптимальный режим работы).

3. Система управления рысканием - электронный флюгер (поворачивает гондолу с ВЭУ по особому закону с учетом доминирующего направления ветра, его порывов и турбуленции).

4. Система оперативного регулирования магнитного скольжения асинхронного генератора (используются усовершенствованные асинхронные генераторы с ротором «беличья клетка»).

Совсем недавно запущена в производство совершенно новая ВЭУ, в которой использован высоковольтный синхронный генератор со статором, имеющим обмотки из кабеля, и многополюсным ротором на постоянных магнитах. Получаемый переменный ток низкой частоты выпрямляется, а затем преобразуется инвертором в переменный ток сетевой частоты. Редуктор генератору не нужен, поскольку он низкооборотный. Такие установки можно использовать на ВЭС мощностью от 500 кВт до 5 МВт и выше.

За состоянием ВЭС и режимами их работы следит бортовой компьютер, куда по модемным каналам поступает вся текущая информация. Если, например, во время работы возникают крат-

ковременные всплески напряжения (так называемый фликкерный эффект), происходящие при коротких сильных порывах ветра либо при резком изменении нагрузки, их гасят с помощью специальных электронных устройств. Электроника и автоматика надежно защищены от постороннего излучения (в том числе от электромагнитного излучения самой сети и переключающих сетевых устройств) радиотехническим заземлением и экранированием. Важную роль здесь играют современные изоляционные материалы.

Конструкционная безопасность

Ветроагрегаты отключаются и останавливаются при скорости ветра 25 м/с (10 баллов по шкале Бофорта) с помощью двухуровневой тормозной системы. В отключенном виде они выдерживают порывы ветра до 50 м/с. Серьезные аварии практически исключены, поскольку системы дублируют друг друга, а вся механика, особенно лопасти, проходит серьезные испытания на прочность.

Обслуживают станции всего один раз в полгода при сроке эксплуатации 20 лет (порядка 180 тыс. часов). ВЭС известных европейских производителей сертифицированы Международной организацией по сертификации (180), а также независимыми экспертными компаниями (государственными и частными).

Автономные системы энергоснабжения

Любая автономная система, в том числе и ветроэлектрическая, работает независимо от сети централизованного энергоснабжения. В этих условиях ВЭУ может функционировать самостоятельно, использоваться как дублер любого другого генератора или применяться в сочетании с другими энергетическими установками в качестве компонента комбинированной системы энергоснабжения. Такие системы используются для подъема воды, электроснабжения домов, ферм или производственных помещений малых предприятий. Как правило, маломощные автономные ВЭУ генерируют постоянный ток для заряда аккумуляторной батареи (АБ).

Система содержит инвертор для преобразования постоянного тока в переменный с напряжением 230 В. В настоящее время в России получили распространение подобные ветроэнергетические установки мощностью до 0,5 кВт. Разработаны и используются опытные образцы ВЭУ мощностью 2,5; 5; 8 и 10 кВт. Более мощные системы, используемые, например, для электроснабжения нескольких объектов, обычно генерируют переменный ток.

В России имеется многолетний положительный опыт применения водоподъемных ветроус-тановок на пастбищах в степных или пустынных районах без использования АБ и резервных источников питания (бензиновых или дизельных электростанций).

Приоритетным направлением развития ветроэнергетики в России на ближайшее время будет автономное использование малых и средних ВЭУ в отдаленных регионах Крайнего Севера, поскольку там сосредоточены основные ветроэнергетические ресурсы страны, наблюдается низкая плотность населения, отсутствуют крупные электрические сети, имеется около 17 тыс. малых населенных пунктов, где целесообразно использовать ВЭС для целей энергоснабжения. В 1996-1998 гг. в Мурманской и Архангельской областях установлены первые автономные ВЭУ мощностью 10 кВт. Очевидно, что ключевым фактором, определяющим выбор между применением автономной энергетической системы и проведением линий электропередачи (ЛЭП) от объекта к сетям централизованного энергоснабжения, является конкурентоспособность стоимостных характеристик ВЭУ по сравнению с подключением к сети [2].

Ветродизельные системы

Данные системы состоят из ВЭУ и дизель-электрической системы (ДЭС) с оптимально подобранными мощностями. Обычно дизель-генератор используется в сочетании с ВЭУ в случае, когда целью использования последней является экономия дизельного топлива, стоимость которого с учетом расходов на доставку может быть очень высокой. Соотношение мощности компонентов системы зависит от схемы генерирования нагрузки и ресурсов ветра.

Режим одновременной параллельной работы ВЭУ и ДЭС оценивается как недостаточно эффективный способ использования ВЭУ, поскольку доля участия ветроагрегата в системе не должна превышать 15-20% мощности дизель-генератора. Такие режимы можно использовать для экономии топлива в гибридных установках большой мощности [2].

Использование режима раздельной работы ВЭУ и ДЭС позволяет поднять долю участия ветроустановки до 50-60% и более. Однако в этом случае неизбежно усложнение системы за счет необходимости введения системы управления, инверторного оборудования и АБ, которые аккумулируют энергию, вырабатываемую ветроагрегатом при рабочих скоростях ветра для питания нагрузки в безветренную погоду или при небольших скоростях ветра.

Всякий раз, когда это возможно, энергия получается за счет ВЭУ, а АБ непрерывно подзаряжаются. В периоды ветрового затишья, когда заряд АБ падает ниже определенного уровня, для обеспечения потребителей энергией автоматически (или вручную) запускается дизель-генератор. Такой режим значительно снижает количество запусков дизель-генератора и, следовательно, ведет к сокращению затрат на обслуживание и топливные расходы. Ветродизельные системы рассматриваемого типа в настоящее время используются в Архангельской и Мурманской областях России [1].

Гибридные ветродизельные системы мощностью от 2 до 500 кВт различных конструкций и назначения в настоящее время испытываются, разрабатываются или планируются к реализации в рамках Федеральной программы «Энергоснабжение удаленных территорий Крайнего Севера РФ». Как правило, эти гибридные системы предназначены для надежного электроснабжения автономных потребителей с одновременной экономией жидкого топлива.

Крупные гибридные электростанции должны работать на локальную сеть северных поселков. Использование современной ветродизельной системы при должном внимании к проведению текущего обслуживания может быть экономически очень эффективным при наличии достаточных ветровых ресурсов в местности, где установлен ветроагрегат.

В крупных энергосетях неравномерная подача энергии, присущая всем ветроагрегатам, уравнивается их большим количеством. Автономные сети мощностью 0,5-4 МВт тоже могут функционировать надежно, несмотря на неравномерность поступления энергии от ВЭС, если они работают в паре с дизелем. Для ветродизельных систем европейские компании разработали компьютеризированное устройство, распределяющее нагрузку между ветроэнергетической установкой и дизелем. Уже есть оборудование, позволяющее всего за 2 с отключить дизель или вновь включить его в работу. Благодаря этому увеличивается ресурс дизелей и экономится до 67% топлива в год.

Капиталовложения в строительство больших ветропарков в Европе сегодня составляют 1 000 долларов на 1 кВт установленной мощности, себестоимость энергии - 3,5...3,8 цента за 1 кВт • ч (10 лет назад - 16 центов). При массовом строительстве ветроэлектростанций можно рассчитывать на то, что в дальнейшем цена 1 кВт • ч существенно снизится и окажется сравнимой со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и ГЭС. В подтверждение этого аргумента говорит тот факт, что конструкции ВЭС постоянно совершенствуются: улучшаются их аэродинамика и электрические параметры, уменьшаются механические потери и т. д. [2].

Проекты ВЭС, работающих на сеть, для условий, например, очень ветреного Приморья окупаются за 5-7 лет, ветродизельные системы - за 2 года. В дальнейшем сроки окупаемости ветро-электростанций будут постоянно сокращаться [1].

Ветросолнечные системы

Электрическая энергия может быть получена за счет преобразования солнечного излучения фотоэлектрическими батареями (ФБ). Несмотря на довольно высокую в настоящее время стоимость ФБ, их использование совместно с ВЭУ в некоторых случаях может быть эффективным. Поскольку зимой существует большой потенциал ветра, а летом в ясные дни максимальный эффект можно получить, используя ФБ, то сочетание этих ресурсов оказывается выгодным для потребителя [2].

ВЭС малой мощности

До сих пор речь шла о гигантских ВЭС, работающих на сеть, но ничего не было сказано о бытовых ветроэлектростанциях малой мощности - от 250 Вт до 10 кВт. Бытовые ветряки вырабатывают энергию более дорогую, но зачастую они бывают незаменимы, особенно там, где нет других источников энергии. Наиболее перспективными представляются производимые в России ВЭС с генератором постоянного тока напряжением 12-110 В, который заряжает буферные батареи (в последнее время - гелевые) емкостью от 200 до 800 А.ч. Зарядка осуществляется через

контроллер, который выдает зарядный ток даже тогда, когда выходное напряжение генератора намного меньше напряжения батарей. Далее ток проходит через конвертор (инвертор), производящий на выходе сетевое напряжение 220 В. Телевизор, чайники и другие электроприборы в доме будут работать от заряженных батарей, пока последние не «сядут». После отключения нагрузки батареи вновь начинают заряжаться. Процесс этот может занять длительное время - все зависит от мощности генератора и силы ветра [1].

Бытовые ВЭС зарубежного производства пока, к сожалению, слишком дороги. Станция с установленной мощностью 1 кВт стоит примерно 2 000 долл. Даже при хорошем ветре она выдает за год в лучшем случае 40% от номинальной мощности, т. е. не больше, чем бензиновый генератор на 400 Вт. Зачастую такой мощности не хватает, поэтому большим спросом пользуются ВЭС на 3 или на 10 кВт (последние стоят уже 25 тыс. долл.). Между тем в России есть более десятка изготовителей малых ВЭС с установленной мощностью в несколько киловатт, цена которых не превышает 1 500-2 000 долл.

Перспективы развития ветроэнергетики в России

Нет сомнения, что большие и малые ВЭС могли бы работать на огромных пространствах России высокоэффективно - ведь наша страна обладает мощным ветроэнергетическим потенциалом, оцениваемым в 40 млрд кВт • ч электроэнергии в год. Такие районы, как Обская губа, Кольский полуостров, большая часть прибрежной полосы Дальнего Востока относятся, по мировой классификации, к самым ветреным зонам. Среднегодовая скорость ветра на высоте 50-80 м, где располагаются ветроагрегаты современных ВЭС, составляет 11-12 м/с (заметим, что «золотым» порогом ветроэнергетики считается скорость ветра 5 м/с - это связано с окупаемостью станций) [3].

Существуют также аномальные локальные зоны, в которых ветер значительно сильнее. Это, например, район Владивостока, где воздушные массы устремляются из Приханкайской равнины в разрыв между Северо-Корейскими горами и хребтом Сихотэ-Алинь и далее по акватории Амурского залива. На островах близ Владивостока среднегодовая скорость ветра на высоте 150 м (50-метровая ВЭС на холме высотой 100 м) не бывает ниже 11 м/с (для континентальной Европы параметр недосягаемый).

Несмотря на благоприятные природные условия и большую привлекательность ветроэнергетики, у нас до сих пор нет ни огромных ветропарков, ни единичных ВЭС вокруг сельских поселков и дачных участков. Основная причина этого заключается в отсутствии инвестиций. В Европе в данной отрасли превалирует народный бизнес. ВЭС строят кооперативы и акционерные общества, причем без всяких государственных дотаций. В России же осуществить дорогостоящие проекты под силу только госструктурам или крупному бизнесу. Предприниматель, отважившийся построить ВЭС или ветропарк в России, неизбежно понесет катастрофические убытки из-за того, что у нас ни на государственном, ни на ведомственном уровне законодательно не определен порядок покупки энергии ВЭС электросетями. Кроме того, возникнут проблемы с землеотводом и другие бюрократические преграды.

И все же дело, кажется, сдвинулось с мертвой точки. Сейчас в стране строится несколько ветроэнергетических комплексов, в том числе и демонстрационных (табл. 1). Последней в ноябре 2002 г. начала работать на сеть ВЭС в маловетреной Башкирии (мощность 2,2 МВт). После ввода ее в строй общая установленная мощность всех российских ветроэлектростанций едва превысила 8 МВт - это в 1 000 с лишним раз меньше, чем в относительно небольшой по площади Германии. Данный факт означает, что отечественная ветроэнергетика, в свое время задававшая тон в мире, сегодня едва ли не безнадежно отстает от Запада. Но путь у нас только один: приложить усилия и последовать примеру мировых лидеров ветроэнергетической отрасли [4].

Действующие, строящиеся и проектируемые ВЭС

В 1992-1994 гг. было начато строительство Калмыцкой ВЭС мощностью 22 МВт (АО «Калмэнерго»), Заполярной ВЭС мощностью 2,5 МВт (АО «Комиэнерго»), Куликовской ВЭС мощностью 5,1 МВт (АО «Янтарьэнерго») и др. Строительство Калмыцкой и Заполярной ВЭС на базе отечественных установок с 1997 г. практически прекращено из-за отсутствия финансирования (табл. 2).

Установленные мощности действующих российских ВЭС

№ п/п Название Мощность

1 Воркутинская ВЭС 1,5

2 Калмыцкая ВЭС 1

3 Маркинская ВЭС 0,3

4 Куликовская ВЭС 5,4

5 ВЭС на о. Беринга 1,2

6 Башкирская ВЭС 2,2

7 Анадырьская ВЭС 2,5

8 До 1 500 малых ВЭУ мощностью 0,1-30 кВт 0,5

ИТОГО 14,6

Таблица 2

Ветроэлектростанции, проектируемые и строящиеся в России

Название ВЭС/ВДЭС Месторасположение Установленная мощность, МВт Стадия

Калмыцкая Республика Калмыкия 22 Установлено 2 агрегата

Приморская Приморский край 30 Выполнено ТЭО

Чуйская Республика Алтай 24 Выполнен бизнес-план

Магаданская Магаданская область 30 Выполнено ТЭО

Анапская Краснодарский край 5 Выполнен бизнес-план

Новороссийская Краснодарский край 5 Выполнено ТЭО

Морская Республика Карелия 30 Выполнено ТЭО

Ленинградская Ленинградская область 75 Выполнены ТЭО и бизнес-план

Валаамская Республика Карелия 4 Выполнено ТЭО

Новиковская ВДЭС Республика Коми 10 Выполнен бизнес-план

Усть-Камчатская ВДЭС Камчатская область 16 Выполнен бизнес-план

Заполярная ВДЭС Республика Коми 3 Введена 1-я очередь

Калининградская ВЭС морского базирования Калининградская область 50 Начата разработка ТЭО

ИТОГО 304

В настоящее время построены и действуют на немецком и датском оборудовании Маркин-ская ВЭС (АО «Ростовэнерго»), ВЭС на о. Беринга (АО «Камчатскэнерго») и Куликовская ВЭС (АО «Янтарьэнерго»).

Куликовская ВЭС. Первый агрегат пущен в мае 1998 г., последний - в июне 2002 г. Затраты на сооружение: по оборудованию - $ 924/кВт • ч, по капвложениям - $ 2 158/кВт • ч. С 1 сентября 1999 г. по 1 сентября 2002 г. ВЭС выработала 6 058,8 тыс. кВт • ч электроэнергии. Эксплуатационный персонал отмечает проблемы ремонта узлов ветроагрегатов, конструкция которых предусматривает только блочную замену, а также в сложности организации сервисного обслуживания с привлечением датских фирм.

Анадырская ВЭС (Чукотский АО). Сроки проектирования и строительства: январь 2001 г. -октябрь 2002 г. Пуск на полную мощность состоялся в июле 2003 г. Мощность станции -2,5 МВт. Установлено 10 ветроагрегатов типа АВЭ-250 отечественного производства для северных условий. Среднегодовая скорость ветра равна 6,5 м/с, максимальная - 52 м/с. С 1 июля 2003 г. по 1 апреля 2004 г. выработано 2 370,68 кВт • ч электроэнергии. Подтверждена работоспособность ветроагрегатов при скоростях ветра от 4,8 до 30 м/с и при температурах до -42°С при параллельной работе ВЭС (70% мощности) и ДВС (30% мощности).

Литература

1. Лаврус В.С. Источники энергии. - Киев: НиТ, 1997. - 196 с.

2. Материалы Всероссийского научно-технического совещания по ветроэнергетике, Уфа, 22 мая 2001 г.

3. Сидоров В. Ветроэнергетические установки и системы. - М.: ИНФРА-М, 2000. - 248 с.

4. Хаскин Л. Башня из ветроэнергетических модулей // Наука и жизнь. - 2003. - № 9. -С.28-33.