Ветрогенераторы: как они работают и возможны ли в России

Простота базового принципа не всегда означает технологическую простоту, особенно если из конструкции надо «выжать» максимальную эффективность. В теории самолет весьма прост, и братья Райт, создавая свой «Флайер-1», вполне обошлись подручными материалами и индустриальными технологиями гаражного класса. Однако, как известно, первенец мировой авиации улетел не дальше размаха крыльев «Боинга-747», едва подняв в воздух Орвилла Райта в качестве полезной нагрузки. Современные лайнеры пересекают океаны и континенты, поднимают в небо десятки и даже сотни тонн груза. При этом они буквально напичканы хайтеком, который обеспечивает высочайшую функциональность, экономическую эффективность и безопасность эксплуатации. Воплощая в жизнь примитивную схему «ветровое колесо плюс электрогенератор», конструкторы нынешних ветроэнергоустановок мощностью в несколько мегаватт вынуждены также опираться на последние достижения науки и наукоемких производств.

Собственно, у авиации и ветроэнергетики немало общего. И там и там используется подъемная сила, образующаяся при взаимодействии крыла с набегающим потоком воздуха. Однако если для образования подъемной силы под крылом самолета приходится тратить энергию на создание тяги, то ветряк использует естественное движение воздушных потоков, для того чтобы забрать у них энергию и преобразовать ее в электричество. Еще одно принципиальное отличие ВЭУ от авиационных конструкций заключается в том, что их ресурс безостановочной работы составляет годы.

Нужно худеть

Пока размах ветрового колеса невелик, а мощность генератора измеряется в десятках или сотнях кВт, никаких особенных технологий не требуется, однако современная ветроэнергетика ориентируется на поистине гигантские сооружения: на 100−120-метровых башнях устанавливаются имеющие вес в десятки тонн гондолы, а размах лопастей ветрового колеса достигает 130 м. Чем выше башня и чем больше диаметр ротора, тем значительней используемый ветропотенциал. Однако при увеличении линейного размера ветроэнергетической установки (ВЭУ) ее мощность растет в квадратной пропорции, а вес — в кубической. Именно поэтому, как и в авиации, борьба с избыточным весом всей конструкции — один из важнейших приоритетов. Другая серьезная задача — обеспечение устойчивости всей конструкции. ВЭУ представляет собой могучую «голову» на тонкой ножке и подвергается сильнейшему ветровому давлению, раскачивается, вибрирует, и, чтобы ветряк не разрушился и не опрокинулся, требуются сложные расчеты и нестандартные технические решения.

Ветроэнергетический хайтек начинается прямо с роторов — внутри окружности самых больших из них спокойно умещается футбольное поле.

Чем совершенней аэродинамический профиль лопастей ветрового колеса, тем выше его КПД. При этом лопасти должны быть прочными и упругими, иначе высотные ветры сломают их как спички. Лопасти также должны иметь минимальный вес, так как повышение массы увеличивает нагрузки на конструкцию в целом и, соответственно, ее цену. В производстве лопастей для ротора, как и в авиапроме, ставка делается на неметаллические композитные материалы при ключевой роли стеклопластика, который как раз и совмещает в себе все требуемые свойства. Внутри лопасти помещается более жесткий каркас с прямоугольным сечением, а внешняя оболочка обеспечивает необходимый профиль крыла, разработанный специально для работы в воздушных потоках с невысокими скоростями. Но оптимальный вес вкупе с аэродинамическими качествами — это еще не все. Ветровое колесо должно обладать длительным рабочим ресурсом. Служить ВЭУ предстоит два десятилетия, и чем меньше на это время придется регламентных и ремонтных работ, тем дешевле обойдется эксплуатация.

Крылом по ветру

Не зря во время бури на корабле спускают паруса — использовать энергию ветра на благо возможно лишь до какого-то предела. Когда дует слишком сильно, приходится защищаться — начинают расти нагрузки на лопасти, на башню, на корпус гондолы. До эпохи мегаваттных ВЭУ проблема защиты ветряка от сильных порывов ветра решалась за счет более массивных башен и более прочных лопастей. Профиль крыльев конструировался таким образом, что при достижении определенной скорости потока воздуха от конца лопасти вниз шло нарастание срыва потока и возникала потеря подъемной силы. Так удавалось предохранить генератор от вращения на нерасчетных оборотах, что привело бы к его поломке. Однако поистине революционным решением, позволившим современным ветроустановкам достичь мегаваттных мощностей, стало введение в конструкцию ВЭУ системы управления углом атаки лопастей (pitch control). Эта интеллектуальная система отслеживает количество энергии, поступающей на ветроколесо, и поддерживает оптимальные обороты за счет поворота лопастей вокруг продольной оси и изменения подъемной силы. Изменение угла атаки выполняется с помощью специальных приводов в ступице, поворачивающих лопасти.

Система pitch control позволяет не только поддерживать вращение ротора в заданном диапазоне скоростей, но и помогает решить проблему безопасности всей ВЭУ — остановить ветроколесо при буревом ветре и избежать резонансного раскачивания башни. Дело в том, что ветрогенератор может попасть в резонанс от некоторых нагрузок — как от пульсации самого воздуха, так и от толчков, которые возникают, когда лопасть проходит мимо башни. Если смотреть издали, этот эффект практически незаметен, но если встать близко к башне, он вполне ощутим. Теперь представим себе, что частота этих толчков попала в резонанс с собственной резонансной частотой колебания башни. Итог нетрудно предсказать — ВЭУ разрушится. Конечно, бороться с этим эффектом можно, повышая частоту колебаний башни, то есть утолщая и утяжеляя ее. Это скажется на стоимости монтажа и материалов. А можно оставить ее изящной, но с помощью системы управления углом атаки заставить ветроколесо быстро проходить опасный режим.

15 тонн как часы

Не менее высокотехнологично и содержимое гондолы ветрогенератора. В большинстве действующих сегодня ВЭУ мегаваттного класса используется мультипликатор — 3−4-ступенчатая система зубчатых передач, которая позволяет повысить обороты с 15 об/мин на валу ветроколеса до 1500 об/мин на валу электрогенератора. И хоть зубчатыми передачами мир давно не удивишь, мультипликатор ВЭУ — случай особый. Современный мультипликатор — это махина весом в 12−15 т, которая имеет КПД не ниже 97%. Это, с одной стороны, весьма габаритная, а с другой — в высшей степени прецизионная механика. Для изготовления мультипликатора требуются высококачественные сплавы, сверхточная обработка поверхности. Особенно это касается высокооборотной ступени — той, что ближе к генератору. Требуются специальные масла, которые облегчают ход механизма и отводят в систему воздушного охлаждения те самые 3% потерь, которые преобразуются в тепло. Только так можно обеспечить низкий вес мультипликатора, высокий КПД и высокую износоустойчивость конструкции для длительного ресурса механизма.

И мозги пригодятся

Создатели ВЭУ непрерывно борются за повышение энергетической и экономической эффективности установок, повышая КПД компонентов (ветроколеса, мультипликатора, генератора и преобразователя), улучшая надежность конструкций и снижая их массу и цену. Борьба идет за несколько процентов (1−3) и даже за их доли. Сильнейший фактор в борьбе за энергетическую эффективность ВЭУ — система управления (СУ) и программное обеспечение (ПО). Современная СУ, снабженная ПО, максимально учитывающим особенности ветров и характеристики потребителей энергии, может дать повышение энергоотдачи на 10 и более процентов.

Свои высокотехнологические особенности имеют, разумеется, и генератор, и система электрических тормозов, и конструкция обтекателя гондолы. Так может ли подобная наукоемкая продукция производиться в России?

Как купить черенок от лопаты

В статье «Бросим надежды на ветер» нашим собеседником была высказана весьма категоричная точка зрения — в России ветрогенераторы мегаваттного класса делать не умеют, и если решение о создании мощных ветропарков будет у нас принято, оборудование придется покупать у грандов индустрии из Германии, Дании и США. Чтобы выслушать альтернативную точку зрения, мы пригласили в редакцию руководителей проекта «Новый ветер» Вениамина Нырковского и Андрея Кулакова. Главная задача этого проекта — интеграция отечественных научных и промышленных возможностей для производства российских моделей ВЭУ.

«Цель нашего проекта — развитие российской ветроэнергетики как самостоятельной отрасли машиностроения, — говорит Андрей Кулаков, — однако к этому выводу мы пришли не сразу. Предварительные расчеты показывают: чтобы Россия в 2025 году имела 4,5% ‘зеленой электроэнергии', необходимо будет построить ветропарки общей мощностью 8−10 ГВт. Где взять эти 5000 ВЭУ, если машиностроительные мощности Европы, Индии и Китая загружены ‘внутренним' заказом? Ответ очевиден. Надо научиться производить здесь, в России.

Мощности для этого есть. Да и компетенции хватает. С металлом, а ВЭУ все-таки металлическая конструкция, наши мастера работают давно и в качестве не уступают иностранцам.

Лицензия? Мы проездили практически всю Европу — от Южной Австрии до Голландии — и поняли, что купить лицензию на выгодных для нас условиях попросту не получится. Во-первых, предлагаются морально устаревшие конструкции минимум десятилетней давности, а прогресс в этой отрасли такой стремительный, что десять лет — это целая эпоха. Во-вторых, по условиям лицензии мы получим, образно выражаясь, не лопату, а черенок от лопаты. Нам ограничат рынок сбыта, и свою продукцию мы не сможем продавать нигде, кроме России. Нам навяжут производителей генераторов, мультипликаторов, лопастей, системы управления, подшипников. Именно в этой продукции ‘зашит' основной хайтек, но в лицензию она не входит, составляя при этом более 50% цены всей ВЭУ. Нам остаются башня, корпус гондолы и ступица. За это с нас попросят не менее? 10 млн. Есть ли в этом смысл?»

Середина золотая и доступная

«Вопреки скептическому мнению о возможностях нашей науки и промышленности мы пришли к выводу, что в России современные мощные ВЭУ производить можно, — продолжает тему Вениамин Нырковский.- Единственное, что мы очевидно ‘не потянем', — это многоступенчатый мультипликатор с его прецизионной механикой. Таких производств в нашей стране нет, а их создание потребует миллиардов долларов. Но ситуация не безвыходная.

Ветер – величина непостоянная. Преобразование непостоянной ветряной энергии в условно-постоянную электрическую и подача ее в сеть – одна из важнейших проблем ветроэнергетики. В ветряках, применявшихся до 2000 года, в основном использовались асинхронные генераторы (в них скорость вращения вала и скорость вращения магнитного поля, создаваемого током в обмотке ротора, неодинаковы). Асинхронный генератор автоматически синхронизируется потоком энергии, приходящей из сети, и непосредственно своими обмотками связан с сетью. При этом старались держать скорость ветроколеса постоянной. Недостатки такой системы заключаются в том, что, во-первых, если в системе генерации есть асинхронные генераторы и их количество приближается к 25%, сеть начинает вести себя нестабильно – впервые с этой проблемой столкнулась Германия с ее высокой долей ветрогенерации в энергетике. Во-вторых, удержание ветроколеса на постоянной скорости снижает его КПД. В современных ВЭУ скорость в процессе работы может меняться в 2–3 раза. Пришлось перейти на синхронные генераторы, но вот беда – они с сетью никак не синхронизируются и подают туда «плавающие» частоту и напряжение, отражая, таким образом, колебания скорости вала ротора. Вопрос удалось решить с развитием силовой электроники – появились мощные транзисторы и тиристоры, способные прокачивать через себя мегаватты энергии. Теперь ток с обмотки генератора поступает в преобразователь, собранный на основе подобных электронных компонентов, а уже оттуда уходит в сеть, имея постоянные частоту и напряжение.

Сейчас порядка 17% представленных на рынке ветряков работают по системе direct drive, то есть обходятся вообще без мультипликатора. У этой схемы есть один большой плюс — наличие минимума движущихся частей, что добавляет конструкции надежности и уменьшает потери энергии. Но есть и большой минус: генератор, вал которого вращается со скоростью ветроколеса, должен быть очень большим. Для двухмегаваттной ВЭУ, работающей с многоступенчатой коробкой передач (мультипликатором), генератор будет иметь диаметр около 1,5 м и вес около 10 т. В установке системы direct drive той же мощности его диаметр составит более 7 м, а вес- около 60 т. Кстати, Россия — одна из немногих стран, где такие гигантские генераторы делать умеют. Правда, они предназначены для ГЭС и условия их эксплуатации сильно отличаются из-за различия динамики колебания энергии. Кроме того, 60-тонный генератор весьма непросто транспортировать, особенно в труднодоступные районы, и очень сложно монтировать на башне — нужна специальная крановая техника, которую перевозить также очень сложно.