8.2. Высотная ветроэнергетическая установка

В последние годы ветроэнергетика – наиболее динамично развивающаяся отрасль энергетики. Имеются обоснованные прогнозы, согласно которым к 2020 г. 12 % энергетических потребностей мира будут покрываться за счет энергии ветра с использованием тех конструктивных решений, которые уже нашли массовое применение в настоящее время. Между тем плотность потока энергии ветра на тех высотах приземного слоя, которые сейчас технологически доступны, остается сравнительно небольшой, достигающей экономически эффективных значений на территориях, расположенных преимущественно в горных странах или в береговых зонах морей. Иная ситуация име­ет место на высоте 6 – 8 км от поверхности Земли, где в струйных течениях, располагающихся над средними, наиболее населенными широтами северного полушария Земли, плотность потока энергии ветра в 30 – 50 раз выше, чем в приземном слое. Освоение энергии этих устойчивых воздушных потоков привлекало и привлекает внимание специалистов.

Предлагаемая новая конструкция высотной ветровой электростанции большой мощности, первые варианты которой были опубликованы в 1991 г./6/, свободна от недостатков, присущих известным решениям. Эта конструкция технологична, энергетически эффективна, эстетична. Удельные капитальные вложения в энергетический узел станции вследствие высокой скорости ветра сравнительно малы, значи­тельная часть общих затрат приходится на тросовую систему, связывающую энерге­тический узел с землей. Величина этой части затрат мало зависит от мощности энергетического узла, поэтому высотная ветровая станция оказывается экономически привлекательной только при достаточно большой мощности – 50 – 100 МВт и более.

В данной главе рассматривается опытная станция мощностью 50 МВт. Кроме основного назначения – производства электроэнергии, данный проект может быть использован также в радио - и телекоммуникационных сферах; в метеорологических исследованиях и наблюдениях; для создания системы лазерной защиты крупных наземных объектов от несанкционированного проникания высоколетящих предметов (самолетов, ракет, метеоритов).

Получение электроэнергии из заоблачных высот кажется фантастическим проектом, однако результаты проведенных ранее исследований и опыт российских предприятий в создании высокоэффективной современной техники и интерес к экологиче­ски чистым способам производства электроэнергии, а также реальные выгоды от парящей электростанции требуют внимательного рассмотрения проекта.

Высотная ветроэнергетическая установка (ВВЭУ) предназначена для эффективно­го использования энергии ветра струйных течений над регионами, не располагающими высоким ветропотенциалом в приземных слоях. Скорость ветра в струйных течениях обычно составляет от 30 до 70 м/с, их толщина охватывает изобарические поверхности от 650 до 130 мбар (от 3,5 до 14 км), ширина течения может быть несколько сотен километров. Максимальные скорости в центре струи нередко превышают 100 м/с.

Одно из наиболее благоприятных мест для реализации проекта по использованию струйных течений – почти вся территория США и особенно восточное побережье – от Флориды до Новой Англии. В России, Беларуси, Украине такими зонами являются столичные регионы (Московский, Минский, Киевский), отличающиеся высокой плотностью населения, большим числом энергоёмких промышленных предприятий, не­уклонно возрастающим потреблением энергии, напряженной экологической обста­новкой, ограничивающей рост мощности традиционных источников.). Данные показывают, что на высоте 6 и 8 км над Москвой в осенне-зимний период средняя скорость ветра практически постоянна, достаточно высока, т.е., когда потребность в электроэнергии наибольшая, энергия ветропотока достигает максимального значения – 5 – 6 кВт/м². В летний период сильные ветры бывают заметно реже, что позволит проводить регламентное обслуживание ветроэлектростанций. Примерно такие же условия имеют место над Новосибирском, Красноярском, Иркутском и над соответствующими широтами в Европе. Над Северной Калифорнией плотность потока энергии в струйном течении на высоте 6 км составляет в среднем 7 – 10 кВт/м², над Нью-Йорком – до 16 кВт/м².

На первом этапе реализации проекта опытную высотную ветроустановку в районе Москвы целесообразно расположить на высоте 6 км от поверхности земли с тем, чтобы в последующем поднять ее еще на 2 км (до высоты 8 км). Общие запасы энергии ветра в атмосфере оцениваются в ~4х10¹² кВт или 3,5х10¹⁶ кВт/ч/год, из них менее 7 % относится к нижнему слою толщиной 100 м преимущественно над водной поверхностью. Энергия «ветровых рек» – струйных течений в 100 раз больше гидроэнергетического потенциала рек всего мира. Половины процента этой энергии достаточно, чтобы обеспечить 8 млрд. будущих жителей Земли по современным нормам благоустроенных стран.

Предлагаемая конструкция ВВЭУ объединяет несколько ортогональных геликоидных роторов в пространственную конструкцию (рис. 8.1), автоматически удерживающую себя в зоне струйных течений. Эта конструкция связана с землей газонаполненным полым тросом, совмещающим функции лифтового шлюзованного канала, токопровода и анкерного устройства.

Рис. 8.1. Схема высотной ветроэнергетической установки (ВВЭУ): 1 – несущая конструкция блока, объединяющая три турбины; 2 – полый, газонаполненный кабель-трос; 3 – ротор генератора; 4 – решетка лопастей ортогональной турбины

Принцип действия ветроустановок следующий: каждая установка состоит из трех или более блоков ортогональных роторов, объединенных общей строительной кострукцией. На рисунке 8.1 показан вариант ВВЭУ с тремя группами роторов, т.е. вариант минимальной установки, узлы которой лежат на гипотетической эллиптической поверхности. В другом (основном) варианте две турбины, вращающиеся в противоположных направлениях, работают на один линейный генератор, индукторы которого закреплены на ободе одной из турбин, а полосы магнитопровода и короткозамкнутого ротора – на ободе другой турбины. Такая пара турбин образует энергетическую единицу (комплекс). В каждом блоке высотной электростанции располагается три таких комплекса. Каждую турбину предлагается делать с шестью лопастями, образующими жесткую пространственную ферму. Профиль лопастей – несимметричный, оптимизи­рованный. Этот профиль имеет самые лучшие аэродинамические качества. Максимальная толщина профиля – 17 % от длины хорды лопасти. Лопасти образуют пространственную цилиндрическую решетку, способную вращаться в опорных узлах, расположенных на контурной раме. Максимальное затенение ротора 0,45, минимальное затенение (в узлах пересечения лопастей) – 0,225. Установлено, что применение изогнутых лопастей в конструкции роторов, обеспечивающее постоянство крутящего момента на оси агрегата и его конструктивную жесткость, не снижает его аэродинамических качеств по сравнению с ротором, имеющим прямые лопасти такого же профиля и такое же затенение. Расчетная скорость ветра и скорости движения лопастей при заданной установлен­ной мощности выбираются из условия максимума выработки энергии и минимума стоимости ветровой станции. При этом учитывается, что увеличение реального значе­ния скорости ветра выше расчетного вызывает перемещение станции ближе к земле и выводит ее из зоны слишком больших скоростей.

Если принять расчетную скорость ветра, отвечающую номинальной мощности 50 МВт равной 35 м/с, а скорость лопастей при этом 50 м/с, то необходимая площадь лопастей составит Q.b – 6660 м². Площадь сечений фигур, ометаемых турбинами, должна быть 14 800 м², а площадь сечения одной турбины – 1644 м². Габариты всей станции 120 х 120 м², габариты одного блока – 40 х 120 м². Естественно принять диаметр турбины – 40 м, ее длина ~ 40 м. Для ветровой станции мощностью 100 МВт параметры турбины можно сохранить такими же, но в каждом блоке следует предусмотреть по три пары турбин с единым контрроторным генератором на каждую пару. При отключении генератора с увеличением скорости ветра скорость вращения турбин будет возрастать и для защиты лопастей от перегрузок предусматривается аэродинамическое торможение с помощью щитков, встроенных в траверсы турбины и раскрывающихся по сигналу от датчика скорости лопастей, которая не должна быть больше 65 м/с. В этом режиме перегрузка от центробежной силы составит 21,6 кг/м². Макси­мальная аэродинамическая нагрузка на лопасть, направленная от центра вращения, равна 355 кг/м², к центру – 381 кг/м². При массе лопастей >17,6 кг/м² нагрузки на лопасти не будут знакопеременными.

Лопасти роторов снабжены струйными устройствами управления локальной циркуляцией. Эти устройства должны повышать выработку энергии установкой: при необходимости, в отсутствии ветра, при подъеме и опускании установки они создают подъемную силу, направление и величина которой могут изменяться, позволяя управлять установкой как воздушным судном. Оси роторов (в плане) составляют тупой угол, что обеспечивает автоматический разворот системы по ветру и ее устойчи­вое равновесие. В случае аварии (например, при обрыве троса или разрушении одного из роторов) установка переворачивается и плавно опускается на землю, сохраняя автоматическую управляемость по радиомаякам.

Дюралевые крылья современных самолетов с вылетом консоли до 24 м имеют массу в расчете на единицу площади крыла от 29 – 35 кг/м². Пластиковые лопасти ортогональных ветроагрегатов имели массу до 12 кг/м². Таким образом, масса лопастей предлагаемой ветростанции ожидается в диапазоне от 80 – 230 т. Траверсы, опорные узлы и соединительные конструкции в целом не должны иметь массу >50% от массы лопастей. В целом масса ветровой электростанции мощностью 50 МВт ожидается в пределах 900 т. Соединительный кабель-трос проектируется так, чтобы он имел небольшую избыточную плавучесть, для этого он изготовлен полым с оболочкой из легкого, прочного материала, например, кевлара и наполнением водородом или гелием.

Избыточной подъемной силы, действующей на трос в точке контакта со станцией, должно быть достаточно для того, чтобы маневрировать ветроустановкой в любых ситуациях и при подъеме ее с земли. Векторная сумма этой избыточной подъемной силы и силы сопротивления при фиксированной длине троса определит пространственное положение станции. На практике управление циркуляцией должно осуществляться автоматически с ориентировкой ВВЭУ по радиомаякам на земле и гиро­скопическими системами на установке. В случае аварийного обрыва троса вращение роторов и плавное опускание систем в заданный район осуществляется за счет энергоаккумуляторов, расположенных на ВВЭУ, и работы генераторов ВВЭУ в режиме двигателей. В таком же режиме, но при использовании электропитания от сети осуществляется и подъем ветроустановки. Кабель-трос состоит из отсеков, наполненных гелием или водородом и соединенных между собой шлюзами. Плотность гелия при нормальном давлении и температуре О °С составляет 0,178 кг/м³. Принимая избыточное давление внутри отсеков 0,5 атм, получим располагаемую подъемную силу кабель-троса: в нижних участках ~1 кг/м³ объема отсеков, а на высоте 6 – 8 км ~0,4 кг/м³. Исходя из этих показателей и учитывая реальные силы, действующие на удерживаю­щую систему со стороны ВВЭУ, рассчитаны размеры кабель-троса. Кабель-трос диаметром 6 м, изготовленный из кевлара, армированного углепластиком, с расчет­ной прочностью 5250 кг/см² и плотностью 1,6 г/см³, может иметь подъемную силу 18,7 кг на погонный метр на высоте 6 км. Минимальная конструктивная толщина кевлара, формирующего оболочку кабель-троса, в соответствии с действующими предложени­ями промышленности принимается 0,25 мм. Этой толщине соответствует площадь се­чения кевлара 47,1 см² и погонная масса 7,54 кг/м. При фиксированной избыточной подъемной силе, действующей со стороны ветроустановки на трос, усилие в тросе определяется его длиной. Общая масса кевлара получается минимальной, если избыточная подъемная сила равна 300 т и длина кабеля-троса – 8,94 км.

На поверхности кабель-троса должны быть уложены шинопроводы для вывода мощности от генераторов. При генераторном напряжении 10 Kвольт и допустимой плотности тока 4 А/мм² масса 1 пог. м шинопроводов составит ~3,4 кг. Суммарная масса основных элементов кабель-троса (17 кг/м) не превосходит его грузоподъемности. Таким образом, избыточное подъемное усилие не должно быть больше 300 т, а длина кабель-троса получается >8,94 км. Масса кевлара при такой длине тросса составит – 124 т. Масса меди шинопроводов составит ~30 т. Из приведенных оценок следует, что кабель-трос можно делать и без обеспечения плавучести, просто с воздушным наполннием, избыточной подъемной силы роторов достаточно для компенсации веса кабель-троса.

Стоимость кабель-троса для ВВЭУ мощностью 50 МВт, по ценам США, ориентиро­вочно составит 15 млн дол, по ценам России – в два-два с половиной раза меньше. Стоимость поднимаемого оборудования ВВЭУ определяется из расчета 15 дол /кг, что при массе 900 т оценивается в 13,5 млн дол. Удельные капитальные вложения составят для США – 570 дол/кВт, для России – 370 дол/кВт.

Если увеличить мощность ВВЭУ до 100 МВт, то за счет применения более эффективного контрроторного генератора масса электростанции увеличится до 1300 т и удельные затраты на единицу мощности снижаются до 13 кг/кВт. Ожидается, что в се­рийном исполнении установки указанной мощности в России будут иметь удельные капитальные вложения не выше 300 дол/кВт. Первый опытный образец мощностью 50 МВт обойдется в ~60 млн долл. (по 1,2 тыс. дол/кВт), включая необходимые об­ширные метеорологические наблюдения, проектные и научно-исследовательские ра­боты, изготовление приспособлений для производства оборудования и затраты на проведение строительно-монтажных и пуско-наладочных работ. Учитывая хорошие экономические и экологические перспективы предлагаемого источника электроэнер­гии, названную стоимость первого образца не следует считать чрезмерной.

Осуществить полный комплекс работ с одновременной подготовкой серийного производства последующих машин можно было бы за 2,5 – 3 года. В дальнейшем высотные ветроустановки могут быть созданы мощностью 100 – 150 МВт и стоимостью по 30 – 45 млн дол. с годовой выработкой 500 – 700 ГВт *ч, что обеспечит себестоимость энергии в пределах 0,3 – 0,5 цента/кВт*ч. Главное достоинство это­го возобновляемого источника то, что он будет находиться там, где есть потребность в энергии.