ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

ООО «ГРЦ-Вертикаль»

По данным Института Мировой Экономики, за последние 30 лет потребление энергии в мире удваивается каждые 10 лет. Увеличивающееся энергопотребление удовлетворяется в основном за счет использования традиционных энергоносителей - угля, нефти, газа, торфа, воды и атомной энергии.

Быстрый рост энергопотребления, удорожание топлива и энергии, обострение геополитических, экономических и экологических проблем топливно-энергетического комплекса (ТЭК) требуют более обоснованной и тщательной проработки принципов использования природных ресурсов и стратегии развития энергетики.

Поэтому с каждым годом все более актуален поиск и освоение альтернативных нетрадиционных источников энергии, к которым, в частности, относится ветроэнергетика.

Доля нетрадиционных возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, геотермальной, малых водных потоков и др.) в общем объеме мирового производства электроэнергии составляет в 2006 году около 2%. В Российской Федерации эта доля составляет доли процента. Более семидесяти процентов электроэнергии вырабатывается на тепловых станциях, работающих на мазуте или угле. Но, по оценкам специалистов, российские запасы нефти иссякнут приблизительно через тринадцать лет, а запасы газа - через шестьдесят лет.

В ГОСДУМЕ РФ

Госдума РФ с 2002 года поднимает вопросы развития научных и технических разработок в области альтернативной энергетики (ветроэнергетики, геотермальной и гидроэнергетики, энергетики биомассы, биоэнергетики и солнечной энергетики, включая наземные и космические средства приема, преобразования и безпроводной передачи солнечной энергии). Депутаты провели слушания на тему "Альтернативная энергетика - залог устойчивого развития России" и рекомендовали Президенту создать энергетический совет по проблемам альтернативной энергетики (данные РИА "Новости").

В частности, на парламентских слушаниях в 2002 году высказывалась обеспокоенность российской общественности кризисом энергетического обеспечения ряда регионов страны и чрезвычайно большим экспортом невозобновляемых энергоносителей. Говорилось и об обеспокоенности мирового сообщества большими темпами истощения невозобновляемых природных энергетических ресурсов на планете в целом.

Госсовету РФ было предложено рассмотреть вопрос о разработке концепции развития альтернативной энергетики в России в 2001-2010 годах, а также о поддержке усилий регионов по внедрению альтернативной энергетики как важнейшем стратегическим условии их развития.

Правительству РФ было рекомендовано, начиная с 2002 года, предусматривать в бюджете целевое выделение средств на развитие научных и технических разработок в области использования альтернативных энергетических источников.

На 2006 год интенсивного развития ветроэнергетики в России не наблюдается, что объясняется рядом объективных и субъективных факторов. Отсутствует законодательная база, соответствующая госструктура, программа Правительства.

В частности, до сих пор не существует интеграции государственного и частного сектора в области разработок альтернативных энергосистем, как это установлено в США, Китае и ряде Европейских стран. В результате в РФ пока отсутствует целевое государственное финансирование замены традиционных источников энергии альтернативными. Тем не менее, процесс перехода на возобновляемые источники является в целом объективным процессом, исходя из тенденции уменьшения традиционного топлива на планете, в связи с чем интенсификация ветроэнергетики является вопросом времени.

На данный момент техническую политику в области нетрадиционной энергетики, в том числе и ветроэнергетики, координирует Министерство экономики РФ.

В данном документе в силу разных причин из всего разнообразия альтернативной возобновляемой энергетики рассматриваются только ветроэнергетические установки.

ТИПЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК (ВЭУ)

Все установки, перерабатывающие кинетическую энергию прямолинейного движения массы ветрового потока в энергию вращения ротора генератора с последующим превращением ее в электрическое напряжение на выходных клеммах электронного инвертора, делятся на несколько типов. Основными из них являются ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

Справка 1: Согласно международным стандартам (IEC 61400, Требования по Ллойду) мощность ВЭУ принимается за номинал на скорости ветра 11.4 м/сек.

Справка 2: КПД ветроэнергетической установки (эффективность использования энергии ветра) – величина, показывающая, сколько процентов энергии ветра ветро-ротор отбирает и передает на генератор. Эту величину принято считать КПД ВЭУ, хотя на самом деле это КПД ветро-ротора (ветроколеса). Реальный КПД всей установки можно подсчитать, приняв во внимание КПД генератора (70-90%), КПД инвертора (если таковой имеется, 80-90%) и КПД передачи энергии на расстояние.

ВЭУ С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

Этот тип установок получил наибольшее (традиционное) распространение в связи с рядом причин:

- наибольшая эффективность (КПД) использования ветра (до 42% на практике) по сравнению с другими конструкциями, благодаря «подъемной силе» крыла;

- традиционность мышления людей, принимающих решения;

Среди ВЭУ с горизонтальной осью вращения существуют несколько подтипов – крыльчатые (лопастные) различных конструкций, с эффектом Магнуса, и другие.

Самые известные своей эффективностью являются крыльчатые лопастные ВЭУ.

Однако кроме бесспорных преимуществ такие ВЭУ имеют один, но очень существенный недостаток – ориентировка на ветер. Разработчики и фирмы-производители сознательно умалчивают этот факт от потребителя, информируя его только о достоинствах установки.

На деле же получается следующее. Мощность ВЭУ рассчитывается, исходя из того, что направление ветра всегда совпадает с осью вращения ветро-ротора, т.е. ветер дует непосредственно на расчетную поверхность лопастей. В результате получается расчетная мощность ВЭУ. Однако из жизни известно, что направление ветра не является константой.

На диаграмме ниже показана зависимость ометаемой площади ветро-ротора (или ветроколеса) от направления ветра (а иначе говоря, от угла наклона вектора ветрового потока к оси вращения ветро-ротора).

График ниже иллюстрирует зависимость падения мощности от роста угла между осью ветро-ротора и вектора направления ветра. При этом скорость ветра принимается постоянной.

Данный документ рассматривает ВЭУ мощностью от 1 кВт (при скорости ветра 11.4 м/сек). Менее мощные установки рассматривать не имеет смысла в связи с их непригодностью в быту и промышленности в современных условиях.

При мощности более 1 кВт наличие флюгера не может являться эффективным средством ориентировки на ветер. В связи с чем необходимо наличие систем управления (СУ) ветро-ротором.

Наличие СУ делает ВЭУ «медлительной» из-за долгой реакции, которая тем не менее, не может быть уменьшена. Вышеописанное иллюстрирует следующая схема:

В связи с вышеизложенным ВЭУ с горизонтальной осью вращения является достаточно эффективными, но только тогда, когда точное направление ветра известно наверняка.

Существенным недостатком является сложность технологического процесса производства лопастей, т.к. профиль лопасти не является одинаковым по сечению вдоль ее длины. Кроме того, начиная с 3 кВт такие ВЭУ требуют специальное раскручивающее устройства, т.е. стартовать сами такие установки не могут. Это приводит к усложнению системы старта и управления, а значит, к удорожанию.

На Западе много влияния уделяется тому факту, что ВЭУ с горизонтальной осью вращения являются опасными для птиц. Это происходит в связи с тем, что внешняя часть лопасти движется быстрее, чем внутренняя и птицы не могут своевременно «рассчитать» ее скорость, чтобы увернуться.

ВЭУ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

ВЭУ с вертикальной осью вращения традиционно получили в настоящее время не такое широкое распространение благодаря тому, что традиционные ветро-роторы, используемые человеком веками, имеют форму, которая имеет КПД (эффективность использования энергии ветра) максимум 17%. К слову сказать, анемометры до сих пор имеют вертикальную ось вращения.

За последнее столетие были открыты новые законы аэродинамики, которые обязывают серьезно пересмотреть концепции развития ветроэнергетики. В частности, были открыты высокоэффективные аэродинамические формы ветро-ротора, как, например, «Дарье» (с вертикальными лопастями), «Магнус» (с вращающимися цилиндрами) и т.д.

Неоспоримым преимуществом этих ВЭУ является то, что отбор энергии осуществляется при любом направлении ветра.

Тем не менее, разработчики и производители таких ВЭУ не смогли организовать серьезную конкуренцию производителям ВЭУ с горизонтальной осью вращения в силу разных обстоятельств.

Главная причина состоит в том, что инвесторы обычно финансируют только производство традиционных конструкций. Разработка же новых вариантов требует серьезных капиталовложений на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы и, как правило, является прерогативой государства.

Поэтому ВЭУ с вертикальной осью вращения не были достаточно изучены, а в силу этого не имели отработанных конструкций лопастей и всего ветро-ротора в целом. Подавляющее большинство существующих ВЭУ с вертикальной осью имеют КПД меньше, чем у ВЭУ с горизонтальной осью (до 30%).

Мнение об эффективности ВЭУ с вертикальной осью вращения изменилось в 2004 году, когда при финансировании Департамента Энергетики США Государственного Ракетного Центра РФ (г. Миасс Челябинской области) был разработан новый тип ветроэнергетической установки, позволивший увеличить КПД до 45%.

Справка 3: КПД ветроэнергетической установки – величина, влияющая на размеры ветро-ротора. Снижение КПД ведет к уменьшению мощности на выходе ВЭУ.  Т.о. для обеспечения той же мощности при сниженном КПД необходимо пропорционально увеличить ометаемую площадь ВЭУ, а значит, увеличить размеры лопастей и других элементов, что, в свою очередь, приводит к росту себестоимости ветроустановки.

ИННОВАЦИОННЫЕ РАЗРАБОТКИ НИИ «УРАЛМЕТ» И ООО «ГРЦ-ВЕРТИКАЛЬ»

В 2004 году Департамент Энергетики США под патронажем Национальной лаборатории Беркли (Калифорния, США), профинансировал разработки и испытания малых ветроэнергетических установок ООО "ГРЦ-Вертикаль" на базе Государственного Ракетного Центра (ГРЦ, КБ им. Академика В.П.Макеева, г. Миасс Челябинской области). Разработки и испытания проводились силами НИИ «Уралмет» и ООО «ГРЦ-Вертикаль» на базе современного лабораторного парка самого центра, а также известных институтов и центров страны.

Согласно предварительно проведенным аэродинамическим расчетам с учетом определенной оптимизации по независимым параметрам были выбраны 10 различных профилей для изготовления моделей  и проведения экспериментальных исследований в специальной гидродинамической трубе. По результатам этих исследований были определены 5 профилей для изготовления опытных образцов ВЭУ мощностью 1кВт для натурной проверки, самораскрутки и определения наиболее эффективного профиля.

По результатам испытаний в натурных условиях лучшие показатели оказались у симметричного профиля (SRСV-2035). Профиль NASA-0015, используемый мировыми производителями для создания ВЭУ с горизонтальной осью вращения и являющийся асимметричным, при испытаниях модели в гидротрубе показал характеристику не уступающей, в целом профилю SRCV-2035. Однако в составе ротора при натурных испытаниях показал более худшее качество. Кроме того требования к точности изготовления ассиметричного профиля выше, чем симметричного.

На основании проведенных исследований был получен ряд международных патентов на инновационные изобретения.

В течение 2004-2005 гг. НИИ «Уралмет» и ООО «ГРЦ-Вертикаль» на основании собранных данных по оптимизации конструкций, формам комплектующих изделий и себестоимости ветроэнергетических установок создали опытные образцы, являющиеся на сегодня уникальными инновационными разработками.

САМАЯ ЭФФЕКТИВНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА В МИРЕ

В результате серьезного финансирования научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ была созданы конструкции, аналогов которым пока в мире нет.

Оригинальная форма ветро-ротора в совокупности с оптимальным профилем лопастей дают КПД до 45% при любом направлении ветра. Оба профиля при использовании в ВЭУ до 100 кВт являются самораскручивающимися (т.е. не требуют дополнительных затрат энергии).

Четырехлопастной дизайн ВЭУ является более экономичным в плане себестоимости, однако создает дополнительные колебания за счет попеременного «схватывания» ветра лопастями.

Шестилопастной дизайн является более дорогим, однако сочетает в себе ряд уникальных научно-технических разработок, позволяющих максимально эффективно использовать энергию ветра.

6-ЛОПАСТНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Ветро-ротор сконструирован таким образом, что места крепления к кольцам вертикальных лопастей нижнего яруса смещены относительно мест крепления верхних на 600 . За счет этого, а также благодаря оптимальному углу атаки лопастей достигается плавность пуска (самораскрутка) при скорости ветра 3.4 м/сек и стабильность вращения.

Профиль лопастей пропорционально увеличивается с увеличением размеров ВЭУ.

Ступица содержит специально сконструированный упорный графитовый подшипник, позволяющий предельно уменьшить момент сопротивления.

Генератор представляет собой электрическую машину с комбинированным возбуждением, в результате чего, несмотря на нестабильную скорость вращения, на выходе генератора присутствует постоянное выпрямленное напряжение.

Инвертор служит для преобразования постоянного тока в переменный.

ВЭУ может быть оборудована следующими опциями:

- синхронизатор сети (для синхронизации частоты переменного тока с частотой сети).

- аккумуляторными батареями, играющими роль стабилизатора напряжения и аккумулирования энергии (особенно для ВЭУ свыше 10 кВт).

- дизель-генератором (для безветренной погоды и увеличения отдачи энергии во время пиковых нагрузок).

- системой обогрева лопастей (для условий Севера).

- лопасти могут быть произведены из особо долговечного материала (срок службы до 100 лет) для полярного климата, тропиков и пустыни.

- системой контроля работы элементов (датчики лопастей, обмоток генератора, подшипников и т.д.).

Мощность ВЭУ может быть определена заказчиком.

На сегодняшний день разработаны, изготовлены и опробованы на практике следующие образцы ВЭУ:

- 1кВт – 5 шт,высота 2м, диаметр 1.5м

- 3кВт – 2 шт, высота 4м, диаметр 6м

- 30кВт – 1 шт, высота 10м, диаметр 11м

Все установки проходят полевые испытания в следующих климатических зонах:

- Урал (Россия)

- Камчатка (Россия)

- Крым (Украина)

- Калифорния (США)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЭУ, произведенные ООО «ГРЦ-Вертикаль», показали результаты, которые не только подтвердили расчетные показатели, но по некоторым параметрам превзошли их. Т.о. ВЭУ могут рассматриваться потенциальными потребителями, как самые эффективные установки в мире на сегодняшний день.

Потребитель может самостоятельно посчитать размер ВЭУ для своих нужд.

Научно-технический совет РАО ЕЭС от 04.10.2006 г. дал высокую оценку ветроэнергетическим установкам, разработанным и произведенным ООО «ГРЦ-Вертикаль» и НИИ «Уралмет» и рекомендовал внедрение данных ВЭУ в России, как наиболее перспективных источников возобновляемой энергии.

НТС Министерства сельского хозяйства Челябинской области также отметил высокий уровень научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и рекомендовал разработанные ветроэнергетические установки к внедрению.

Хостинг от uCoz