Гидравлические ветряки
Что представляет собой типичная современная ветроэнергетическая установка (ВЭУ) мегаваттного класса? В её гондоле позади лопастей турбины находится многотонный планетарный редуктор, соединяющий ротор турбины с синхронным электрогенератором. Там же стоит шкаф, набитый электроникой, которая преобразует выходное напряжение генератора переменной частоты сначала в постоянное, а затем - опять в переменное с частотой электросети. Как правило, имеется ещё и порядочных размеров осушитель воздуха, создающий «комфортную» среду для надёжной работы электроники. И всё это располагается на башне высотой с 50-этажный дом, так что для замены крупных компонентов необходимы огромные краны, а обслуживающему персоналу для проведения регулярных работ приходится каждый раз подниматься на 50-й этаж.
Многие изготовители ВЭУ задавались вопросом: «Почему бы не облегчить гондолу, установив в ней только гидравлический насос, который будет создавать давление жидкости, используемое внизу, у основания башни, для вращения генератора с помощью гидравлического двигателя?»
Уменьшить и облегчить
В одной из разработок в гондоле размещается радиально-поршневой гидронасос, а на земле - гидромотор, вращающий генератор. Насос радиально-поршневого типа обеспечивает наилучшие характеристики при низких скоростях вращения, типичных для ветровых турбин, а гидромотор - максимальный КПД. Подобная конструкция облегчает задачу регулирования скорости вращения генератора при переменной скорости ветра. Генератор при этом избавлен от низкочастотных вращательных вибраций, создаваемых турбиной.
Гидравлическая передача вращения позволяет значительно уменьшить массу и размеры гондолы. Смонтированный в ней гидронасос для 100-киловаттной ВЭУ может весить от 300 до 450 кг, тогда как редуктор, генератор и другое оборудование - несколько десятков тонн. Очевидно, что после уменьшения размеров и массы гондол строительство башен и фундаментов обойдётся заметно дешевле. Немаловажно и то, что большинство работ по обслуживанию можно будет выполнять внизу, на земле.
энергии на сжатом воздухе
Управляемые гидравлические системы могут полностью или частично заменить громоздкие механические редукторы. Тем самым упростится механическая часть ВЭУ, а значит, продлится время её безотказной работы. Наконец, гидронасос обладает значительно меньшей инерцией, чем механический редуктор, следовательно, ВЭУ будет запускаться при меньших скоростях ветра. В случаях прямого привода (без редуктора) достигается экономия на стоимости дорогого многообмоточного электрогенератора. В целом после перехода к гидроприводным системам операционные затраты должны заметно снизиться.
Подтянуть КПД
И хотя у гидравлики много достоинств, у неё есть и ряд проблем. Сегодня гидроприводы менее эффективны, чем механические приводы, и первые сложнее масштабировать для установки на многомегаваттные турбины. К сожалению, даже при максимальной эффективности, достигаемой при давлениях порядка 350 бар (35 МПа), гидравлическая система передаёт энергию от ротора турбины к входному валу электрогенератора на 10-30% менее эффективно, чем механическая передача. А если учесть затраты энергии на перекачку жидкости внутри башни, потери окажутся ещё больше. Впрочем, от гидропривода можно отбирать тепло, повышая общий КПД ветровой турбины за счёт когенерации.
Отметим также фактор, который часто игнорируют, - сравнительно низкие скорости вращения ветровых турбин. Большинство гидронасосов рассчитаны на скорости от 500 до нескольких тысяч оборотов в минуту, тогда как ветровые турбины обычно делают не более 150 об./мин.
Если насос поршневого типа, рассчитанный на 600 об./мин, использовать на скорости 150 об./мин, потери не сократятся в четыре раза (они зависят от скорости вращения нелинейно). Кроме того, насосы не слишком эффективны на оборотах, значительно меньших номинальных, а присущая ветровым турбинам сильная изменчивость скорости вращения при порывах ветра только усугубляет проблему.
Привлечь инвестиции
Конечно, развивающиеся технологии рано или поздно позволят создать насосы, оптимизированные для условий ВЭУ, но сегодня конструкторы гидроприводных систем вынуждены ориентироваться на серийно выпускаемые компоненты. Вообще говоря, нынешние серийные гидравлические насосы и моторы стоит применять на ветрогенераторах мощностью до 500 кВт. Для турбин мегаваттного класса разработчикам приходится выбирать не самые оптимальные решения, в частности, установку множества параллельно работающих насосов и двигателей. При этом общая эффективность ВЭУ снижается ещё сильней.
Эти проблемы - отражение тех задач, на которые традиционно ориентируются изготовители гидравлического оборудования. За исключением небольшого числа особых случаев, спрос на насосы и моторы, рассчитанные на тысячи лошадиных сил, крайне невелик. А многомегаваттные ветровые турбины, которых сейчас становится всё больше и больше, требуют именно таких мощностей.
У изготовителей ветровых турбин есть возможности для создания мощных систем при условии значительных инвестиций. Между тем сегодня все основные производители ВЭУ, а также поставщики их основных компонентов, таких как редукторы, работают с минимальной прибылью. В этих условиях не так-то просто выделить ресурсы на разработку новых технологий, которые потребуют принципиальной переработки существующих конструкций, технологических линий и, возможно, смены поставщиков.
Перестроить сервис
Исторически сложилось так, что почти все современные ВЭУ имеют электромеханическую систему, отработанную за долгие годы и даже десятилетия. Как поставщики, так и конечные пользователи хорошо осведомлены о достоинствах и недостатках аппаратуры. Выстроены системы технической поддержки, способные задействовать преимущества и минимизировать недостатки существующих решений.
Нет сомнений, что гидравлические системы способны обеспечить серьёзные экономические преимущества над современными электромеханическими решениями. Гидравлика обеспечивает высокую плотность мощности, необходимую для уменьшения размеров и массы гондолы ВЭУ. А отставание по эффективности, скорее всего, рано или поздно сократится благодаря разработке новых жидкостей, которые позволят снизить потери давления в линиях, и электрогидравлических систем управления, которые оптимизируют рабочие режимы. Но даже сейчас, без этих новаций, гидравлика представляется привлекательной с точки зрения общих затрат на строительство и эксплуатацию ВЭУ - с учётом более дешёвых гондол, башен и фундаментов. И не стоит забывать о разнице в стоимости обслуживания на земле персоналом среднего уровня подготовки и высококвалифицированными бригадами с верхолазным оборудованием - в гондоле. За 20-летний срок эксплуатации турбины эта разница может оказаться немалой. Да и потребность в мощных кранах, достающих 50-го этажа, заметно снизится.
Можно предположить, что работы по техническому обслуживанию наземных агрегатов будут проводиться чаще, поскольку они не требуют столь же тщательного планирования, как работы на высоте. (В ветровой индустрии ходят непроверенные слухи о том, что многие ветропарки вообще не обслуживаются. Проверить эти слухи весьма сложно, т. к. большинство операторов ветростанций не раскрывают данные о сервисе.) Конечно, насос в гондоле придётся обслуживать, как и саму турбину и другое оборудование. Но общая стоимость сервиса сильно сократится.
Заимствовать опыт
Следует также отметить, что специализированные редукторы, используемые в современных ВЭУ, часто имеют значительно меньшее время наработки на отказ, чем указывают их изготовители. Возможно, это соображение также подтолкнёт индустрию к применению гидравлической трансмиссии.
Немаловажен и тот факт, что гидравлика работает значительно надёжнее механических систем в экстремальных условиях окружающей среды. Гидравлические системы успешно применяются в высоких арктических широтах и на дне океана. Гидравлика зарекомендовала себя в эксплуатации не только высокой надёжностью, но и, что важнее, предсказуемыми характеристиками в самых неблагоприятных условиях, какие только можно себе представить.
Опыт производства и применения гидравлических систем в других отраслях можно перенести в ветрогенерацию. Так, в морской нефтедобыче разработаны практически все технологии, необходимые для преодоления проблем с перемещением жидкости вверх и вниз в башне ВЭУ. Гидравлические системы на морском дне работают надёжно, несмотря на километровые длины напорных шлангов. Имея столь богатый опыт, не так сложно создать напорные линии в несколько десятков метров для ветрогенераторов.
* * *
Хотя компания Mitsubishi Heavy Industries в сотрудничестве с британской Artemis Intelligent Power уже изготовила прототип гидравлической ВЭУ мощностью 7 МВт с так называемым цифровым насосом (digital pump), далеко не все проблемы решены. Но преимущества гидравлической трансмиссии столь велики, что её широкое применение в ветроэнергетике представляется неизбежным. Вопрос лишь со временем.
Читайте другие наши материалы
