Энерговектор
О насНовостиНаука и технологииСтратегияАрхив

Чем больше, тем лучше?

15.10.2017, Виктор Санников
Пределы масштабирования современных ветровых турбин

Развитие традиционных ветроэнергетических установок (ВЭУ) с горизонтальной осью вращения сегодня опирается на идею масштабирования - чем выше башня и длиннее лопасти, тем больше мощность. Экономический смысл здесь в том, что с удлинением лопастей материалоёмкость установки (весьма приближённо) увеличивается линейно, а площадь ометаемой ими поверхности - квадратично. Получается выигрыш на масштабах - математика не даст соврать.

Для сравнения отметим, что в тепловой энергетике действуют несколько другие математические закономерности. Там тоже проявляется эффект масштаба, но эффективность генерации в первую очередь зависит не от размеров установки, а от температуры сгорания топлива.

Технологии тепловой генерации развивались более ста лет и достигли зрелости. Дальнейший прирост эффективности ТЭС проблематичен. А что с ветряками?

 

Громкие обещания

В марте 2011 г. были опубликованы результаты пятилетнего исследования по проекту UpWind, профинансированного Евросоюзом. Согласно стостраничному отчёту группы авторитетных экспертов, на основе существовавших на тот момент инженерных решений с учётом новых идей и технологий представлялось вполне реальным к 2020 г. (то есть за 9 лет) организовать производство 20-мегаваттных ветровых турбин, которые должны иметь ротор диаметром порядка 250 м. Напомним, что в 2011 г. уже существовали модели мощностью 5 МВт с диаметром ротора 120 м.

Со времени публикации отчёта прошло шесть лет, то есть две трети прогнозного срока, а реальная прибавка мощности составила лишь пятую часть от прогнозной - сегодняшние модели ВЭУ имеют максимальную мощность 8 МВт. Очевидно, что-то пошло не так.

 

Сам себя не похвалишь...

Отметим, что исследование UpWind проводилось экспертами Европейской ассоциации ветровой энергетики EWEA, которая заинтересована приукрасить перспективы ветровой генерации - всяк кулик своё болото хвалит. Кроме того, любой проект Евросоюза имеет геополитическую составляющую, которую нельзя сбрасывать со счетов. Рисуя захватывающие перспективы для ветряных мельниц, европейцы дают понять странам - экспортёрам энергоресурсов, что тем придётся снизить цены на энергоносители. Тем не менее даже с поправкой на PR прогноз UpWind выглядит чересчур оптимистично.

Как отмечают сегодня специалисты Германского аэрокосмического агентства, у больших ВЭУ аэродинамическое сопротивление лопасти пропорционально квадрату её длины, а масса всей конструкции (из-за резко увеличивающихся механических нагрузок) - кубу длины лопасти. Шум от ротора турбины определяется линейной скоростью концов лопастей, возведённой в пятую степень.

Также следует учесть, что чем тяжелей конструкция ВЭУ, тем трудней доставить на место, поднять и установить её элементы. Специальная подъёмная техника есть не везде, а её аренда весьма дорога. Неудивительно, что обещанное масштабирование традиционных ветровых турбин наталкивается на труднопреодолимые препятствия инженерного и технологического толка.

«Вопрос зачастую упирается в класс ветра, - объясняет первый заместитель генерального директора ООО «ЛУКОЙЛ-Экоэнерго» Максим Карнаухов. - Мало где на Земле круглый год есть сильный ветер. Расчёт ветростанций всегда делается под конкретные ветровые условия, и может оказаться так, что размеры турбин не следуют прогнозу UpWind потому, что просто не хватает подходящих площадок, расположенных рядом с потребителями».

 

Новая парадигма

«Обычное масштабирование более не работает, - объясняет координатор исследований ветровой энергии Германского аэрокосмического агентства Ян Тесмер. - Мы должны совершить инновационный высокотехнологичный прорыв, который позволит одновременно снизить стоимость и сократить вес оборудования, найдя концепцию балансировки аэродинамических и структурных сил».

На наш взгляд, такой прорыв уже совершён, но он оказался настолько смелым и нестандартным, что в него не поверили. Это «летающее крыло» компании Makani Power и другие системы ветроэнергетики воздушного базирования.

Газета «Энерговектор» уже писала о ветряках без опоры - привязанных к земле тросом/проводом летательных аппаратах, способных нарезать в небе круги и восьмёрки, передавая на землю вырабатываемую электроэнергию (см. № 12/2013 на с. 10 и № 4/2011 на с. 13). Подобные системы могут за счёт силы ветра подниматься на высоты, недостижимые строителям башен, и не требуют особой наземной инфраструктуры. Изобретатели систем воздушного базирования сумели сделать чудо - выбросить из конструкции традиционного ветряка самые материалоёмкие и громоздкие элементы, оставив аналоги работающих на полную мощность кончиков лопастей. К сожалению, на момент успешных испытаний летающего крыла Makani Power традиционная ветровая энергетика уже набрала слишком большие авторитет и инерцию.

Двигаясь по накатанной колее, разработчики новых ветровых турбин теперь пытаются малыми мерами и средствами достичь больших результатов. Посмотрим, что они предлагают.

 

Ухищрения

Лопасти современных ветряков, длина которых дошла до 85 м, должны выдерживать порывистый ветер (читай: колебания нагрузки), который затрудняет не только выдачу энергии в сеть, но и управление ветровой турбиной. Более того, площадь, ометаемая лопастями, уже настолько велика, что в её пределах наблюдается значительные вариации потока. И здесь на помощь приходит концепция умных лопастей.

Умные лопасти предусматривают быструю индивидуальную регулировку угла поворота для каждой из них с тем, чтобы, например, компенсировать разницу скоростей ветра наверху и у земли. Для этой цели ещё более эффективны управляемые закрылки, установленные ближе к концам лопастей. На поворот закрылков уходит меньше времени и энергии, чем на изменение угла всей лопасти, и, поскольку закрылки располагаются на концах лопастей, которые движутся с максимальной скоростью, аэродинамический эффект получается сильнее. Также для тонкой подстройки под набегающий поток рассматриваются варианты конструкций ВЭУ с изменением наклона оси турбины. Впрочем, говорят, что лучшее - враг хорошего.

На гондолах ВЭУ планируют устанавливать лазерные измерители скорости воздушного потока, которые будут «смотреть» вперёд, чтобы заблаговременно дать сигнал о грядущем порыве ветра. Тогда система управления турбиной успеет отработать потенциально опасную ситуацию, изменив угол поворота лопастей или даже притормозив их вращение.

С целью снижения шумности ветряных мельниц предлагается применять на лопастях различного рода бороздки и «расчёски», сглаживающие сбегающий воздушный поток и снижающие его завихрения.

 

Настоящие резервы

«Зачастую всё упирается в вес и габариты. Для снижения затрат на доставку и строительство турбин необходимо позаботиться об оптимизации их модульной конструкции, - отмечает Максим Карнаухов. - Например, лопасть могла бы быть не цельной, а состоящей из двух частей, а башня - более лёгкой и модульной».

Как и в случае с тепловыми энергоблоками, которые сами по себе практически доведены до совершенства, резервы повышения эффективности ветровых турбин сегодня заключаются не столько в их собственном устройстве, сколько в местоположении и способе включения в энергосистему. А эти вопросы выходят за пределы компетенции конструкторов ветровых турбин.

При удачном выборе местоположения ветровая турбина малой мощности может оказаться существенно выгоднее в эксплуатации, чем ВЭУ большой мощности, которые приходится строить вдали от населённых пунктов. Не секрет, что экономику больших ветропарков нередко подрывает расходная сетевая составляющая, то есть инвестиции в строительство линий и потери при передаче электроэнергии по ним.

«Вызов для европейской ветрогенерации сегодня не в увеличении мощности ВЭУ, а в том, чтобы оптимизировать весь комплекс технологий, снизив затраты на производство мегаватт-часа энергии, на эксплуатацию турбин и, самое главное, на строительство и логистику: длина лопастей ограничена возможностями их доставки, вес башни и гондолы порой требует усиления мостов или перекладки дорожного полотна», - пояснил Максим Карнаухов.



 

Редакция

Главный редактор: Иван Рогожкин
Консультант: Людмила Зимина
Корректор: Анатолий Печейкин
Дизайнер: Мария Хомутская
Руководитель проекта:
Максим Родионов

Контакты

Россия, 101000,
г. Москва, а/я 230.
Тел.: +7 (916) 422-95-19
Web-site: www.enegrovector.com
E-mail: oilru.com
facebook.com/energovector


©2011-2017. Ежемесячная газета «Энерговектор». Все права защищены.