Аэровысотная ветроэнергетика

Размещено на http://allbest.ru

Аэровысотная ветроэнергетика

Определимся с понятием

Смысл и значение аэровысотной ветроэнергетики требуют своего уточнения и договоренности. Известно, что из существующих ветроэнергетических установок (ВЭУ) наземного базирования, т. е. с генерирующими силовыми блоками поднятыми над землей при помощи мачт, колонн, башен и прочих опорных конструкций, своим рекордным «ростом» в 183 метра отличалась определенное время установка Repower 5M, построенная в 2004 году в ФРГ, земля Шлезвиг-Гольштейн, что на границе с Данией по побережью Северного моря. Сегодняшний лидер Enercon E-126 нарастил к этому всего 15 метров.

Таким образом, отталкиваясь от достигнутого можно считать аэровысотными все ветрогенерирующие станции, что подняты от фундамента на 300 (соответствует высоте башен Делового центра «Москва-Сити») и более до высот, вплоть до роста Останкинской телебашни порядка 500 метров.Однако высотность ВЭУ не является самоцелью, а средством достижения энергии скоростных слоев земной атмосферы.

Действующие промышленные установки мощностью в сотни и тысячи кВт работают на сильных ветрах, «разгуливающих» по береговым линиям морских побережий и на шельфах со скоростями 13-25 м/с.

Дабы достигнуть качественного результата на вложенные средства во внутри-континентальном климате, скорее всего потребуется достигнуть высот, где скорость ветра в 30 м/с является нормой.

Действующий способ подъема ветросиловых блоков ВЭУ (турбинно-генераторных узлов) с применением опорных колонн достиг явного перехлеста над здравым смыслом, всегда одного порядка или существенно превышает материалоемкость основного оборудования [1].

К этим сведениям надлежит прибавить данные о массивности фундаментов ВЭУ, которые производителями не приводятся, поскольку они разнятся в зависимости от геодезических особенностей конкретной местности. Но из без этой информации очевидно, что цена вопроса существенно ниже на скальных породах, чем в глубине большинства материковых территорий, где к тому же опоры ветрогенераторов должны подрасти до 100 и более метров, чтобы достать слои атмосферы со все той же скоростной динамикой 13-25 м/с.

Отсюда следует, что третьим и во многом главным трендом аэровысотной ветроэнергетики должна стать экономичность способа подъема силового блока на заданную высоту в зону сильных, скоростных ветров.

Способы и средства

До последнего времени был известен единственный способ реализации аэровысотной ветроэнергетики, а именно, с использованием воздухоплавательных средств. Рассмотрим вкратце общую картину предлагаемых в этих целях методов, имея ввиду, что перед средствами доставки ветроэнергетического силового блока на заданную высоту стоит двойная задача: подъема силового блока и обеспечения его надежной геостационарности, т. е. фиксированного положения в пространственных координатах.

Воздухоплавательные средства подразделяются на два основных типа: парусные и аэростатные. Известно устройство, где используется воздушный змей, на трос которого навешены гирляндой ветрогенераторы горизонтально-осевого вращения (патент SU 69787). Не вдаваясь в подробности, сразу же отметим, что такая высотная ветроэнергетическая станция сразу же рухнет на землю при падении скорости ветра ниже критической.

Та же опасность грозит парусной системе с применением парашютов (патент RU 2338089), которая усугубляется склонностями купола к схлопываниям и перехлестам строп.

Совсем иной уровень надежности мы имеем в высотной ветросиловой установке (патент SU 8970), где подъем турбинно-генераторных блоков осуществлен сигарообразным аэростатом положительной плавучести. Задача подъема ветросиловых блоков на заданную высоту решена вполне удовлетворительно и надежно, но геостационарность устройства возможна только при малых габаритах горизонтально-осевых турбин, в силу этого генерирующих низкие мощности, не представляющие существенного промышленного значения. Схема крепления турбин с большим лобовым сопротивлением в высоко-скоростных ветровых потоках вокруг оболочки аэростата не способствует ориентации устройства на атмосферный фронт, ведет к отклонениям в горизонтальной плоскости и падению общей энергетической эффективности. В месте присоединения причального троса к неподвижной наземной лебедке в самом скором времени в следствии скручивания произойдет разрушение гибкой связи.

Более свежими и приближенными к поставленной задаче являются проект Windkraftwerk (патент DE 29811094, 1998 г.) с аэростатом обтекаемой конической формы, но маломощной турбиной из лопастей Савониуса, и интенсификатор (патент UA 69547, 2004 г.), все достоинство которого состоит в использовании двояковыпуклого аэростата, при этом его герметичность нарушена сквозным вертикальным валом, а силовой блок расположен внутри оболочки вне зоны доступа и обслуживания, турбины работают исключительно в поднимающихся потоках воздуха и никак иначе.

Общее и различия

Все объективные природные трудности перехода от приморской и шельфовой (офшорной) ветроэнергетики к ветроэнергетики материковой очень не просто преодолеть.

Главными препятствиями являются нестабильность атмосферы над внутри-континентальными регионами, прежде всего переменчивая направленность ветров, их достаточный потенциал наблюдается только на более значительных высотах, с вытекающими из этого повышенными требованиями к опорным конструкциям и наземным основаниям ВЭУ.

Для средне-мощных ветрогенераторов переход в менее благоприятную «среду обитания» может быть достигнут, например, модернизированной технологией с применением поливиндроторных обойм, состоящих из вертикально-осевых ветроколес [2].

В системах большей мощности такой технологической эволюции не достаточно, требуется качественное изменение, прежде всего по вопросу подъема и фиксации силового блока на высоте сильных ветров. Для результативного синтеза воздухоплавания и ветрогенерации предстоит откорректировать обе объединяемые технологии.

Аппараты легче воздуха создавались и продолжают совершенствоваться в транспортных целях для перемещения в атмосфере сверхтяжелых неделимых грузов.

Для этого корпуса дирижаблей приобрели оптимальную сигарообразную или близкую к ней форму, дополненную аэродинамическим поверхностями, усиливающими подъемную силу воздушного судна. Самый обтекаемый профиль аппарат имеет по оси симметрии, совпадающей с курсом движения.

В свою очередь аэростат, неподвижно висящий в воздухе, а именно это нам прежде всего нужно для целей аэровысотной ветроэнергетики, обязан иметь неизменно высокую обтекаемость при любой направленности атмосферных потоков.

В таком случае аэростатной оболочке целесообразно придать форму двояковыпуклой линзы, а еще лучше -- плоско-выпуклой линзы, обращенной плоскостью к земле и тем самым создающей дополнительную подъемную силу аэродинамической природы.

Представленная здесь би-аэростатная схема построения подъемно-фиксирующего блока из двух оболочек (патент RU 2 535 427) является мерой вынужденной и направленной на сокращение горизонтальных габаритов конструкции.

Основная доля газонаполняемого объема, 75-80 процентов или около того, приходится на верхнюю двояковыпуклую оболочку, которая сочетает в себе большую часть суммарной аэростатической плавучести, компактность и аэродинамическую обтекаемость.

Остальной объем гелия заполняет нижнюю плоско-выпуклую оболочку, благодаря которой чем больше скорость ветра, тем значительнее аэродинамическая подъемная сила, тем успешнее решается проблема геостационарности и пространственной ориентации силового блока - строго вертикального положения оси вращения ортогональной турбины. В устройстве применены наземные лебедки, действующие согласованно по единой управляющей компьютерной программе, что дополнительно выравнивает ветросиловой блок и гарантирует оптимальное расположение его вертикальной оси симметрии под прямым углом к ветру. Тем же фактором -- переменчивой направленностью ветров, обусловлен выбор класса ветряной турбины.

Таковой единственно является ортогональное ветроколесо вертикально-осевого вращения с ортогональными лопастями крыловидного профиля, не требующие ориентации на ветер. Было бы нелепо водружать на большой высоте винтовую турбину с её неизменными атрибутами: опорной колонной или рамой, поворотным узлом, механизмом принудительного разворота.

Смысловая оценка

Чаще всего, когда люди слышат о воздухоплавании, дирижаблях и аэростатах, у них возникают устойчивые представления о чем-то несуразно огромном, неуклюжем и архаичном.

Посмотрим так ли это в случае с аэростатным ветрогенератором (АсВГ).

аэровысотный силовой ветроэнергетический

Из этого видим, что аэростатный ветрогенератор обладает размерами того же порядка, что современные грузопассажирские авиалайнеры и дирижабли, даже уступает им.

В непосредственно ветроэнергетической области генератор Vestas мощностью 1,65 МВт имеет винт диаметром 66 метров [3], компания Siemens, изготовив винтовые лопасти длиной 75 метров, превзошла всех конкурентов, но приостановило это дело из-за неопределенности спроса.

Следовательно в этом смысле нет никаких причин отторгать синтез воздухоплавания и ветрогенерации.

Остается открытым вопрос о экономической целесообразности аэровысотной ветроэнергетики, на который мы дерзнем ответить далее в самом предварительном, но достаточном для ясности приближении.

Стоимость ветросиловых блоков будут неизменными как для систем наземного базирования, так и для конструкции высотного размещения в виде АсВГ, посему этот фактор из дальнейших рассуждений исключается.

При подъеме турбинно-генераторных узлов средней мощности при помощи сооружения колонн высотой во внутри-континентальных атмосферных условиях порядка 100 метров приведенная стоимость строительства колеблется в значительных пределах в зависимости от требований к фундаменту и по самым скромным оценкам составляет в среднем около 19000 -- 25000 руб/кВт.

Стоимость подъема ветросилового блока большой мощности с применением аэростатов в связи с потребностями в больших объемах легкого газового наполнителя оболочек будет в основном лимитироваться ценой гелия.

В настоящее время цена гелия на мировом рынке колеблется в широких пределах 2-6 USD/м3, причем колебания эти носят спекулятивный характер и диктуются монополистом -- США, который в своих интересах сдерживает объемы производства. Россия по запасам сырья и промышленным мощностям (большинство из них законсервировано) занимает третье место в мире.

Исходя из этих базовых данных будем считать, что реальной ценой гелия на внутреннем рынке при отсутствии внешнего спроса, что возможно к счастью отличает его от углеводородов, может быть 145 руб/м3 и сделаем сводку приведенных сведений.

Сделано предположение, что через каждые 100 метров высоты опорной колонны стоимость сооружения будет возрастать вдвое. Важно отметить, что возмещение утечек гелия из аэростатных оболочек, выполненных на основе применения современных материалов, возможно осуществлять не чаще одного раза в несколько лет, в самом худшем случае каждые шесть месяцев.

Уместно вспомнить, что в приведенных сведениях по вышеуказанным причинам нет данных о стоимость фундаментов, а при любых почвах эти данные будут не в пользу систем наземного базирования.

Возьмем для ценового сравнения самый свежий пример: данные о строительстве новейшего ветропарка Dominica I в Мексике.

Сооружение каждой из пятидесяти башен с генераторами 2 МВт-ой мощности потребовало инвестиций в размере 3,92 млн. USD, из которых по оценкам экспертов порядка половины суммы затрачено на опорную конструкцию силового блока.

При решении данной задачи высотного подъема с помощью АсВГ-1000, капиталовложения сократились бы в пять раз. Здесь ошибка в ценовом прогнозе не может быть столь значительной, чтобы изменить перевес в пользу аэровысотной ветроэнергетики.

Следует заметить, что Мексика занимает пятое место среди нефтедобывающих стран мира и второе в западном полушарии [4]. Вместе с тем, государство вкладывается и вкладывается серьезно в ветрогенерацию, демонстрируя дальновидное стремление к расширению номенклатуры реально используемых энергетических источников, смягчая тем самым зависимость экономики от мировых цен на углеводороды.

Осенью 2014 года такая политика дала свои результаты и из затратной статьи ветроиндустрия преобразовалась в жизненно необходимую отрасль.

Всегда ли нужны большие мощности

Жилищно-коммунальные потребности малых поселений России в мощностях имеют следующий вид: 47209 населенных пунктов нуждаются в мощностях 200 и менее кВт. Таким образом не всегда уместным и оправданным является безоглядная погоня за избыточными мощностями, генерируемыми от ВИЭ.

Тем более, что в мировой практике доля ВЭУ мощностью менее 150 кВт составляет 64 % от общего числа реально действующих установок. Данное обстоятельство заставляет нас сделать шаг назад и рассмотреть аэровысотную ветроэнергетику в формате наиболее затребованных средних мощностей.

Для подъема такого генератора по рассмотренной выше схеме АсВГ в зону скоростных 30 м/с ветров над континентальными территориями потребуется только одна плоско-выпуклая оболочка со следующими габаритами.

Одновременно рассмотрим возможности сократить объемы гелия, играющего особую роль в вопросе о цене строительства и эксплуатации аэростатного ветрогенератора.

Доставка силового блока на заданную 300 и более метров высоту требует положительной плавучести аэростатной оболочки, для чего хватает незначительного превышения объема легкого газа над поднимаемой массой, включая вес турбинно-генераторного узла, всех его гибких связей с землей и электрокабеля.

Условие геостационарности АсВГ обязывает обеспечить сильное натяжение тросов, что увеличивает расход гелия по меньшей мере на 20-30, а возможно и более процентов.

Ликвидировать этот перерасход призван аэроплавательный виндротор (АПВ). Он же уменьшает прогиб и неравномерную растяжку причальных тросов, делает ненужной компьютерное управление наземными лебедками.

Отличительной особенностью устройства от предшественника (патент RU 2 535 427) является привязка АПВ к причальной тумбе особой конструкции с поворотным узлом, что позволяет силовому блоку, поднятому на заданную высоту, сочетать в себе качества аэростата и планера, свободно описывать под воздействием меняющего направление ветра круговые траектории относительно зафиксированной наземно центральной оси вращательного движения.

Причальная тумба и силовой блок связаны по меньшей мере тремя тросами, один из которых является трос-кабелем или обычным тросом с подвешенным электрическим кабелем. При необходимости спуска силового блока к земле, свободные троса отсоединяется от причальной тумбы и подключается к барабану наземной лебедки, что заблаговременно перемещается под линию гибких связей.

Любая из рассмотренных систем аэровысотной ветроэнергетики делают максимально доступными обслуживание и ремонт силовых и подъемных элементов, которые легко опускаются к земле, чем полностью исключают зависимость ВЭУ от специальных грузоподъемных кранов и вертолетной техники.

Их эксклюзивным качеством является мобильность -- беспрепятственное перемещение на неограниченные расстояния из одной точки привязки в другую.

В стартовой позиции прогнозируемые затраты в части основных затрат на высотное базирование ветросиловых блоков в окончательной цене проектов представляют собой следующий ряд.

Если вернуться назад к части I [2], то данный приведенный к 1 кВт показатель для поливиндроторов наземного базирования средней мощности 40 и 80 кВт оставит соответственно 25 и 12,5 тыс.рублей без учета стоимости фундаментов под 100-метровые мачты ВЭУ.

Подводя черту

Технологическое отставание России давно стало банальностью и общим местом со все новыми подтверждениями. Altaeros Energies реализует на Аляске аэровысотный проект стоимостью $ 1,3 млн. [5], который по существу в части ветросилового блока ограничивается калькой с систем пропеллерных ВЭУ наземного базирования и не вносит существенной новизны по вопросу геостационарной устойчивости, пространственной ориентации устройства.

Предметно активизировались в направлении высотной ветроэнергетики компании Vestas и Google, купившая Makani Power. В этой связи возрождение воздухоплавания в новом качестве -- в составе технологии съема и преобразования энергии ветра в высокоскоростных слоях атмосферы над внутри-континентальными регионами, является объективной необходимостью и в первом приближении единственно технически возможной и экономически оправданной модернизацией, без неё сомнительно развитие материковой ветроэнергетики больших мощностей, что актуализирует потребность детальной проработки аэростатного проекта в числе приоритетных направлений использования ВИЭ.

Перечень ссылок

1. сайт http://politerrmo.ru, Дирижабль, как средство развития континентальной ветроэнергетики;

2. сайт http://jornal-eco.ru, 2014, №2, с. 40-48;

3. сайт www.termored.ru;

4. сайт www.luxurynet.ru;

5. сайт http://coolplatz.com, Энергия ветра.

Размещено на Allbest.ru