Алекcей ЧЕСНЕЙШИН
В наcтoящее время альтернативная энергетика развиваетcя пo неcкoльким направлениям. В плане ветрoэнергетики наибoльшее раcпрocтранение пoлучили ветрoэлектрocтанции (ВЭС) c гoризoнтальнoй ocью вращения. Однакo дейcтвительнo ли oни так эффективны, ocoбеннo еcли речь идет o небольших по мощноcти энергоуcтановках? О преимущеcтвах ВЭС c вертикальной оcью вращения корреcпонденту «ПВ Инфо» Алекcею ЧЕСТНЕЙШИНУ раcсказал начальник конструкторского отдела ОАО «Завод Протон – МИЭТ» Дмитрий ДУЮНОВ.
– Эксперименты в данном направлении начались около 10 лет назад. Предварительно нами были проанализированы тенденция развития ветроэнергетики, в т.ч. мы проанализировали работу Сакской и Донузлавской ВЭС, существующих еще с советских времен. Выяснилось, что у коллинеарного ветроприемного устройства (с горизонтальной осью вращения) целый ряд конструктивных недостатков. Так, при высоком коэффициенте преобразования энергии ветрового потока оно малоэффективно в континентальных условиях. Это обусловлено, во-первых, потерями на мультипликаторе (повышающем обороты редукторе); во-вторых, низким пусковым моментом; в-третьих, значительным временем выхода на поток, что имеет огромное значение при переменных ветровых потоках; в-четвертых, низкой эффективностью на турбулентных потоках; в-пятых, использованием генераторов со значительным моментом страгивания.
Все современные генераторы имеют частоту вращения порядка 1000 об/мин., максимальная частота вращения ветрового колеса – 50 об/мин. Значит, необходим редуктор. На каждом подшипнике теряется 5% вращающего момента, на шестеренке – 7 – 10%. И если в ВЭС установлено всего два вала, то потери составляют уже 47%, т.е. даже если само ветроприемное устройство эффективно, то на валу генератора данная эффективность теряется.
Еще один недостаток традиционных ВЭС заключается в том, что они работают лишь на постоянных ветровых потоках. Если ветер меняет направление, ветроустановка не успевает развернуться по ветру. За счет этого теряется значительное количество ветрового потока и снижается выработка электроэнергии. Даже выйдя на ветровой поток, ей нужно время, чтобы выйти на синхронные обороты, и только после этого на генератор подается возбуждение.
Проанализировав все это, мы пришли к выводу, что наиболее оптимальной в российских условиях является ортогональная ветроустановка (с вертикальной осью). Она работает даже на турбулентных потоках с любого направления ветра, причем мгновенно подхватывая ветровые потоки, а также порывы ветра, что характерно именно для нашей территории.
Еще один существенный недостаток ветроустановка с горизонтальной осью заключается в том, что с краев ее лопастей происходит срыв ветрового потока. Это создает шум в виде инфразвука и, соответственно, приводит к дополнительным потерям. Учитывая это, мы разработали концепцию и конструкцию ветроприемной турбины, комбинирующей турбины Горлова и Савониуса. При этом мы сделали ориентацию лопастей таким образом, что наша турбина не создает шумов, и в ней отсутствует срыв ветрового потока. Она работает и на порывистых ветрах, и на турбулентных потоках. Отметим, что традиционные коллинеарные ветроустановки на турбулентных потоках не работают. В них используется скоростная составляющая, а в нашем случае – давление ветра. Подчеркну, что за счет всего вышеперечисленного мы получили установку, работающую именно на тех ветровых потоках, которые характерны для отечественных условий.
Мы ориентируемся на то, что данную ветроустановку станут применять в пределах городской черты. Здесь можно использовать индукцию зданий и сооружений. Ветровой поток, встречая препятствие, огибает его, поэтому по срезу здания на кровле на определенном расстоянии проходят уплотненные высокоскоростные воздушные потоки, энергетические характеристики которых значительно выше, чем средневзвешенные. Это позволит по максимуму применять ветроприемное устройство.
– Какова расчетная мощность ВЭС?
– Она зависит от целого ряда факторов: высоты подъема, скорости ветра и пр. По нашим расчетам, при свойственным нашей средней полосе воздушным потокам – до 10 м/с, мощность установки составит 2 кВт. Если скорость ветра будет 5 м/с, вырабатываемая мощность составит 1,5 кВт, если больше 10 м/с, то 3 кВт и даже 5 кВт. Преимущество нашей ВЭС перед установками с горизонтальной осью еще и в том, что она работает уже при скорости ветра 2 – 3 м/с – почти штиль (для традиционных ВЭС необходим ветер 10 м/с). Это значит, что ВЭС с вертикальной осью станет работать практически всегда, и если не 2 кВт, то, по крайней мере, 1,5 кВт всегда можно вырабатывать. По нашим расчетам, если подобными установками оснастить высотные здания (17 – 22 этажей), то освещение подъездов можно было бы полностью перевести на снабжение от ветроустановок (конечно, при условии перевода освещения на энергосберегающие технологии).
– Расскажите об особенностях генератора?
– Для нашей ВЭС мы разработали особую концепцию генератора – генератор с внешним ротором без магнитокоммутируемых зазоров и элементов. Магнитное поле традиционных генераторов ВЭС коммутируется на зубцах статора и ротора, из-за этого также идут потери вращающего момента. Наш генератор не содержит электрических коммутаций, т.к. обмотка неподвижна относительно оси вращения. Вращается лишь внешний ротор. В ветроустановке с вертикальной осью всего два подшипника, а генератор закреплен на ступицу, поэтому общие потери у нас составляют порядка 10%. Кроме того, наш генератор тихоходный. Он рассчитан работать и производить электроэнергию при частоте вращения 30 – 300 об./мин.
Отмечу, что конструкция в целом очень простая и легко разбирается, а значит, пригодная к обслуживанию персоналом низкой квалификации. Для сравнения: обслуживание традиционных ВЭС очень дорого и проблематично ввиду того, что конструкция, состоящая из ветроприемного устройства, мощного мультипликатора, генератора и системы ориентации по ветру (виндрозы), находится на большой высоте, а вес устройства достигает сотен килограмм.
– Где еще, кроме городской черты, было бы выгодно использовать ВЭС с вертикальной осью?
– Вообще, данная ветроустановка рассчитана работать без обслуживания, а для удаленных районов это немаловажно. Здесь следует начать с того, что чем дальше находится источник энергии от потребителя, тем больше потери на транспортировку. В отдаленные районы нецелесообразно протягивать ЛЭП, там выгодно использовать малую энергетику. Она может применяться, например, в горах для обеспечения элементарных потребностей альпинистов, горнолыжников, спасателей, геологов, пограничников, систем видеонаблюдения и освещения дорог и т.д. ВЭС как раз и рассчитана на такого потребителя.
Еще одна возможность – отопление домов. Качество вырабатываемой в простейшей установке электроэнергии не соответствует стандартам, поэтому ее выгодно переводить в тепловую энергию. Напомню, что в наших климатических условиях большая часть всей вырабатываемой электроэнергии идет именно на отопление и горячее водоснабжение. И в этом плане ветроустановка с вертикальной осью могла бы использоваться для теплоснабжения дач, коттеджей и пр.: вырабатываемая ею энергия практически даровая.
Нами найден способ аккумулировать тепло в 15 раз эффективней, чем с помощью водяных накопителей. Как известно, вода имеет максимальную теплоемкость, но у нее один недостаток: как накопитель она используется при температуре 40ºС – 99ºС, т.е. в пределах лишь 59ºС. Мы разработали конструкцию, где этот перепад составляет порядка 1200ºС, и он, умноженный на теплоемкость, дает эффективность накопления тепловой энергии в 15 раз больше, чем при помощи водяных аккумуляторов. Причем эти аккумуляторы можно делать из широкодоступных недорогостоящих материалов. При помощи данного накопителя можно поддерживать в доме нормальную температуру и микроклимат даже в том случае, если в течение 30 дней будет стоять безветренная погода. Соответственно, в летнее время также возможно накапливать тепловую энергию, в зимнее время – тратить.
– На какой стадии сейчас находится реализация проекта?
– В 2005 г. был изготовлен первый опытный образец. В настоящее время он работает в тестовом режиме. Его генератор находится в короткозамкнутом режиме и функционирует бесконтрольно. Сейчас нами решается задача снижения себестоимости генератора, пока у нас нет технологического оборудования, которое позволило бы выполнить приемлемый по цене генератор. Здесь мы исходим из того, что наша ВЭС не должна стоить дороже 1000 долл., она должна быть доступна всем желающим ее приобрести. Мы полагаем, что в перспективе удастся решить эту проблему, и уже через два года у нас будут законченные документация по данному проекту и коммерческий продукт. После этого речь может идти уже о промышленном производстве.
Замечу в заключение, что пока мы занимаемся наукотворчеством, в отдаленных уголках России простые граждане, лишенные энергоресурсов, на свой страх и риск из подручных материалов сооружают свои ветроустановки, не надеясь на нашу промышленность. У них нет иного выхода. Спасение утопающих – дело…. В общем, как всегда.
– Эксперименты в данном направлении начались около 10 лет назад. Предварительно нами были проанализированы тенденция развития ветроэнергетики, в т.ч. мы проанализировали работу Сакской и Донузлавской ВЭС, существующих еще с советских времен. Выяснилось, что у коллинеарного ветроприемного устройства (с горизонтальной осью вращения) целый ряд конструктивных недостатков. Так, при высоком коэффициенте преобразования энергии ветрового потока оно малоэффективно в континентальных условиях. Это обусловлено, во-первых, потерями на мультипликаторе (повышающем обороты редукторе); во-вторых, низким пусковым моментом; в-третьих, значительным временем выхода на поток, что имеет огромное значение при переменных ветровых потоках; в-четвертых, низкой эффективностью на турбулентных потоках; в-пятых, использованием генераторов со значительным моментом страгивания.
Все современные генераторы имеют частоту вращения порядка 1000 об/мин., максимальная частота вращения ветрового колеса – 50 об/мин. Значит, необходим редуктор. На каждом подшипнике теряется 5% вращающего момента, на шестеренке – 7 – 10%. И если в ВЭС установлено всего два вала, то потери составляют уже 47%, т.е. даже если само ветроприемное устройство эффективно, то на валу генератора данная эффективность теряется.
Еще один недостаток традиционных ВЭС заключается в том, что они работают лишь на постоянных ветровых потоках. Если ветер меняет направление, ветроустановка не успевает развернуться по ветру. За счет этого теряется значительное количество ветрового потока и снижается выработка электроэнергии. Даже выйдя на ветровой поток, ей нужно время, чтобы выйти на синхронные обороты, и только после этого на генератор подается возбуждение.
Проанализировав все это, мы пришли к выводу, что наиболее оптимальной в российских условиях является ортогональная ветроустановка (с вертикальной осью). Она работает даже на турбулентных потоках с любого направления ветра, причем мгновенно подхватывая ветровые потоки, а также порывы ветра, что характерно именно для нашей территории.
Еще один существенный недостаток ветроустановка с горизонтальной осью заключается в том, что с краев ее лопастей происходит срыв ветрового потока. Это создает шум в виде инфразвука и, соответственно, приводит к дополнительным потерям. Учитывая это, мы разработали концепцию и конструкцию ветроприемной турбины, комбинирующей турбины Горлова и Савониуса. При этом мы сделали ориентацию лопастей таким образом, что наша турбина не создает шумов, и в ней отсутствует срыв ветрового потока. Она работает и на порывистых ветрах, и на турбулентных потоках. Отметим, что традиционные коллинеарные ветроустановки на турбулентных потоках не работают. В них используется скоростная составляющая, а в нашем случае – давление ветра. Подчеркну, что за счет всего вышеперечисленного мы получили установку, работающую именно на тех ветровых потоках, которые характерны для отечественных условий.
Мы ориентируемся на то, что данную ветроустановку станут применять в пределах городской черты. Здесь можно использовать индукцию зданий и сооружений. Ветровой поток, встречая препятствие, огибает его, поэтому по срезу здания на кровле на определенном расстоянии проходят уплотненные высокоскоростные воздушные потоки, энергетические характеристики которых значительно выше, чем средневзвешенные. Это позволит по максимуму применять ветроприемное устройство.
– Какова расчетная мощность ВЭС?
– Она зависит от целого ряда факторов: высоты подъема, скорости ветра и пр. По нашим расчетам, при свойственным нашей средней полосе воздушным потокам – до 10 м/с, мощность установки составит 2 кВт. Если скорость ветра будет 5 м/с, вырабатываемая мощность составит 1,5 кВт, если больше 10 м/с, то 3 кВт и даже 5 кВт. Преимущество нашей ВЭС перед установками с горизонтальной осью еще и в том, что она работает уже при скорости ветра 2 – 3 м/с – почти штиль (для традиционных ВЭС необходим ветер 10 м/с). Это значит, что ВЭС с вертикальной осью станет работать практически всегда, и если не 2 кВт, то, по крайней мере, 1,5 кВт всегда можно вырабатывать. По нашим расчетам, если подобными установками оснастить высотные здания (17 – 22 этажей), то освещение подъездов можно было бы полностью перевести на снабжение от ветроустановок (конечно, при условии перевода освещения на энергосберегающие технологии).
– Расскажите об особенностях генератора?
– Для нашей ВЭС мы разработали особую концепцию генератора – генератор с внешним ротором без магнитокоммутируемых зазоров и элементов. Магнитное поле традиционных генераторов ВЭС коммутируется на зубцах статора и ротора, из-за этого также идут потери вращающего момента. Наш генератор не содержит электрических коммутаций, т.к. обмотка неподвижна относительно оси вращения. Вращается лишь внешний ротор. В ветроустановке с вертикальной осью всего два подшипника, а генератор закреплен на ступицу, поэтому общие потери у нас составляют порядка 10%. Кроме того, наш генератор тихоходный. Он рассчитан работать и производить электроэнергию при частоте вращения 30 – 300 об./мин.
Отмечу, что конструкция в целом очень простая и легко разбирается, а значит, пригодная к обслуживанию персоналом низкой квалификации. Для сравнения: обслуживание традиционных ВЭС очень дорого и проблематично ввиду того, что конструкция, состоящая из ветроприемного устройства, мощного мультипликатора, генератора и системы ориентации по ветру (виндрозы), находится на большой высоте, а вес устройства достигает сотен килограмм.
– Где еще, кроме городской черты, было бы выгодно использовать ВЭС с вертикальной осью?
– Вообще, данная ветроустановка рассчитана работать без обслуживания, а для удаленных районов это немаловажно. Здесь следует начать с того, что чем дальше находится источник энергии от потребителя, тем больше потери на транспортировку. В отдаленные районы нецелесообразно протягивать ЛЭП, там выгодно использовать малую энергетику. Она может применяться, например, в горах для обеспечения элементарных потребностей альпинистов, горнолыжников, спасателей, геологов, пограничников, систем видеонаблюдения и освещения дорог и т.д. ВЭС как раз и рассчитана на такого потребителя.
Еще одна возможность – отопление домов. Качество вырабатываемой в простейшей установке электроэнергии не соответствует стандартам, поэтому ее выгодно переводить в тепловую энергию. Напомню, что в наших климатических условиях большая часть всей вырабатываемой электроэнергии идет именно на отопление и горячее водоснабжение. И в этом плане ветроустановка с вертикальной осью могла бы использоваться для теплоснабжения дач, коттеджей и пр.: вырабатываемая ею энергия практически даровая.
Нами найден способ аккумулировать тепло в 15 раз эффективней, чем с помощью водяных накопителей. Как известно, вода имеет максимальную теплоемкость, но у нее один недостаток: как накопитель она используется при температуре 40ºС – 99ºС, т.е. в пределах лишь 59ºС. Мы разработали конструкцию, где этот перепад составляет порядка 1200ºС, и он, умноженный на теплоемкость, дает эффективность накопления тепловой энергии в 15 раз больше, чем при помощи водяных аккумуляторов. Причем эти аккумуляторы можно делать из широкодоступных недорогостоящих материалов. При помощи данного накопителя можно поддерживать в доме нормальную температуру и микроклимат даже в том случае, если в течение 30 дней будет стоять безветренная погода. Соответственно, в летнее время также возможно накапливать тепловую энергию, в зимнее время – тратить.
– На какой стадии сейчас находится реализация проекта?
– В 2005 г. был изготовлен первый опытный образец. В настоящее время он работает в тестовом режиме. Его генератор находится в короткозамкнутом режиме и функционирует бесконтрольно. Сейчас нами решается задача снижения себестоимости генератора, пока у нас нет технологического оборудования, которое позволило бы выполнить приемлемый по цене генератор. Здесь мы исходим из того, что наша ВЭС не должна стоить дороже 1000 долл., она должна быть доступна всем желающим ее приобрести. Мы полагаем, что в перспективе удастся решить эту проблему, и уже через два года у нас будут законченные документация по данному проекту и коммерческий продукт. После этого речь может идти уже о промышленном производстве.
Замечу в заключение, что пока мы занимаемся наукотворчеством, в отдаленных уголках России простые граждане, лишенные энергоресурсов, на свой страх и риск из подручных материалов сооружают свои ветроустановки, не надеясь на нашу промышленность. У них нет иного выхода. Спасение утопающих – дело…. В общем, как всегда.
