Как поймать морской бриз

Необычный подход к ветровым станциям предлагают дальневосточные ученые. Фото автора

Согласно данным, представленным в недавнем аналитическом отчете компании Ernst & Young о ситуации, складывающейся на глобальных рынках возобновляемой энергии, российский рынок ВИЭ впервые был оценен как перспективный. В докладе указано, что его объем может составить 11,5–14 млрд долл. уже к концу 2014 года. Свой вклад в будущее отечественной возобновляемой энергетики в скором времени надеются внести инноваторы из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ). Здесь уже не первый год трудятся над оригинальным проектом – ветроэнергетической морской установкой (ВЭМУ).

Работы, которые пока находятся на стадии научно-исследовательских разработок, но в скором времени вступят в опытно-конструкторскую фазу, ведутся под руководством доцента кафедры технологий промышленного производства Виктора Чебоксарова. ОАО «РусГидро» отнесла проект ВЭМУ к числу перспективных для оказания поддержки в рамках работы собственной технологической платформы «Перспективные технологии возобновляемой энергетики». Однако в данный момент регулярного финансирования коллектив создателей ВЭМУ все еще не получает, поэтому все исследования ведутся в ходе учебного процесса в ДВФ, с привлечением экспертов из Института биологии моря и Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук.

Как рассказывает Виктор Чебоксаров, российские ученые проанализировали схемы современных ветротурбин, размещенных на воде, и пришли к выводу, что все они унаследовали серьезные недостатки и ограничения сухопутных ветряных мельниц. Например, единичная мощность стандартных ветряков, расположенных в море, ограниченна и составляет по-прежнему менее 10 МВт, рабочий диапазон скорости ветра достаточно узок, наконец, они представляют опасность для птиц и морских млекопитающих…

В результате в ДВФУ возникла идея создания «ветряка нового типа» – значительно большей мощности, безопасно работающего даже при сильных ветрах. Предполагается, что данная оригинальная разработка приведет и к снижению стоимости энергии, расширению рабочего диапазона ветров, исключению генерации инфразвуков и исключению опасности для птиц. В основе проекта – инновационный подход к расположению ветряка относительно поверхности воды: в отличие от существующих в мире аналогов россияне первыми предложили положить турбину на воду.

– Необычность нашей разработки заключается в плавучем роторе ветроустановки, – рассказывает Виктор Чебоксаров. – Вода в данном случае играет роль подшипника для турбины очень большой мощности, в десятки МВт или даже более. Полных аналогов ВЭМУ в мире нет, подана заявка на международный патент. Все ветряки, размещаемые на шельфе, сегодня выполнены в традиционной компоновке: их турбины имеют горизонтальную ось вращения, что и создает ограничения и серьезные проблемы на море. Наша же турбина вращается вокруг вертикальной оси. При этом она низкоскоростная, с регулируемыми, оптимально управляемыми углами атаки лопастей. Результаты моделирования показывают, что аэродинамическая эффективность турбины ВЭМУ будет на уровне лучших пропеллерных ветротурбин.

Использование гидравлической трансмиссии на основе специальных насосов и высоконапорных водяных турбин Пелтона является оригинальной для ветроэнергетики. Здесь исключены дорогие и малонадежные зубчатые мультипликаторы, хотя частота вращения ветротурбины очень низкая (линейная скорость лопасти, как правило, не превышает скорости ветра). Кстати, в отличие от турбин Дарье, тоже с вертикальной осью вращения, но обладающих плохим самозапуском, ВЭМУ должна сама начинать вращение даже при слабом ветре – около 3 м/с. Причем управление углами атаки лопастей ВЭМУ позволяет значительно расширить рабочий диапазон скорости ветра и вверх. Например, для ветреных районов – до 25 м/с.

Схема ВЭМУ обещает более высокую надежность и повышенный коэффициент использования оборудования. За счет параллельной структуры всех систем отказ одного из элементов в большинстве случаев не приведет к полной остановке работы и может быть устранен на ходу. Предполагается, что турбина ВЭМУ будет иметь модульную (разборную) конструкцию, где каждый модуль плавучий и при необходимости замены может быть в отдельности или в сборе отбуксирован в нужную точку…

Данный проект может иметь успех именно в России, уверены авторы, поскольку наша страна довольно сильно отстала в развитии ветроэнергетики, в создании мощных установок, особенно на шельфе. ВЭМУ – наш шанс стремительно преодолеть это отставание: «70% населенных пунктов на Дальнем Востоке находится вне зоны центрального энергоснабжения. И, хотя проживают там лишь 20% населения, его также нужно обеспечивать электричеством. Речь об уединенных прибрежных поселках, поддержание жизни в которых, по сути, убыточно из-за безумно дорогих дизельных генераторов, – продолжает Виктор Чебоксаров. – К каждому из таких поселков не подведешь плавучую АЭС по 100–200 МВт, как предлагает Росатом, а 10–50 МВт от одной нашей ВЭМУ должно хватить…»

Имеет устройство дальневосточных ученых и ряд других преимуществ: практически полная экологическая чистота, упрощенная технология производства и транспортировки установок, более дешевые конструкционные материалы. По планам исследователей в конструкции могут использоваться низколегированные стали, из которых строятся корпуса морских судов: «В отличие от пропеллерных нет необходимости стремиться к облегчению нашей турбины за счет применения высокопрочных, но дорогих материалов. Плавучесть несколько более тяжелой конструкции легко обеспечивается некоторым увеличением водоизмещения погруженной части ротора», – отмечает Чебоксаров.

Наконец, ВЭМУ не создают опасности для птиц и рыб, не производят инфразвуков. Медленное вращение установки будет способствовать насыщению воды кислородом, что приведет к росту фитопланктона и биологическому очищению загрязненных акваторий. Правда, есть у проекта и свои минусы, например, дополнительные потери энергии на трение в воде, но они не столь критичны: по результатам предварительного моделирования, они составят 4–7% энергии, что вполне приемлемо.

По словам Чебоксарова, в дальнейшем его команда собирается сосредоточиться на моделировании и расчете работы глубоководного (глубины – свыше 40 м) варианта установки, который будет иметь наиболее явные преимущества над традиционными пропеллерными ветряками: «Мы долгое время изучали вариант ВЭМУ для размещения на мелком шельфе (до 40 м). В нем центральная башня закреплена на дне, например на сваях, а вокруг нее на воде вращается плавучая турбина. В глубоководном же шельфовом варианте центральная башня тоже плавучая, но не вращается. Она располагается на отдельном заякоренном полупогружном понтоне. Этот вариант подходит для размещения установок на большей части континентального шельфа.

Стоит отметить, что ветряки нового типа – не единственный дальневосточный козырь в сфере ВИЭ. В ДВФУ тематикой возобновляемой энергетики занялись вплотную: в скором времени на территории университета разместят собственные солнечные батареи и ветряки. Как рассказал заместитель директора Инженерной школы ДВФУ по научно-исследовательской работе Сергей Голиков, эти работы будут вестись в рамках проекта «Научно-образовательный производственный центр – энергоэффективные технологии и возобновляемая энергетика», финансирование которого составит 140 млн руб. до 2018 года. Часть средств на это выделит сам вуз, часть – ОАО «РусГидро». Кроме того, в Инженерной школе будет создана кафедра возобновляемой энергетики.

По словам Сергея Голикова, в кампусе ДВФУ в скором времени будет развернута система электро- и теплогенераторных комплексов на базе ВИЭ. Предполагается, что со временем ее общая мощность достигнет 500 кВт. Поначалу на долю солнечной энергетики – панели установят на лабораторном и спортивном комплексах университета – придется около 150 кВт. Столько же будут вырабатывать и университетские ветрогенераторы, которые разместят на мысах бухты Аякс. Кроме того, эксперты «РусГидро» займутся на территории вуза монтажом волновой электростанции собственной разработки мощностью около 30 кВт. Как отмечает Голиков, производство энергии для нужд университета в данном проекте не является основной целью (хотя кампус и станет ее ключевым потребителем). Гораздо важнее, по мнению эксперта, тот факт, что данный крупномасштабный проект позволит ДВФУ вести подготовку кадров в области ВИЭ с использованием собственной экспериментальной базы, а также и проводить передовые научные исследования.

Владивосток