Российская компания создала не имеющий аналогов в мире по эффективности двухроторный ветрогенератор — его уже заказали Саудовская Аравия и Вьетнам.
Двухроторный ветрогенератор
Двухроторный ветрогенератор
На завершившемся 2 ноября климатическом саммите в Глазго (26-я конференция сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата) вновь говорили о недопустимости глобального потепления, сокращении выбросов углекислого газа и метана, актуальности разработки и внедрения передовых зеленых технологий, к числу которых относятся, в частности, возобновляемые источники энергии. Один из таких источников — ветер. Сейчас ветроэнергетика занимает лишь 5,3% в мировом производстве электроэнергии, хотя эта доля неуклонно растет: если в 2016 году за счет энергии ветра был произведен 121 гигаватт электроэнергии, то в 2020-м — уже 743 гигаватта. Но так ли хороша западная ветроэнергетика, и что может предложить в этом плане Россия?
Генеральный конструктор
Создатель двухроторного ветрогенератора Анатолий Баканов
Создатель двухроторного ветрогенератора Анатолий Баканов
Идея создать инновационный двухроторный ветрогенератор принадлежит Анатолию Георгиевичу Баканову, генеральному конструктору, который с 1973 года возглавлял Опытно-конструкторское бюро моторостроения в Воронеже (ОКБ моторостроения), а ныне является научным руководителем воронежской компании «Инновационные системы». На его счету десятки внедренных разработок, в том числе авиационные поршневые двигатели, газотурбинные двигатели на пилотируемые и беспилотные летательные аппараты, редукторы для многоразового космического корабля «Буран». Опыт создания ветроустановок у него тоже есть: в начале 1990-х годов он, в частности, разработал трансмиссию для ветрогенератора мощностью 450 кВт, установленного на Украине, под Николаевым, создал для Минобороны встраиваемые в объекты ветроустановки мощностью 30 кВт.
В 2002 году Баканов с коллегами учредил собственную фирму. Сначала продолжали работать над военными технологиями, в частности, сделали трансмиссию для подводной лодки нового поколения, выиграв конкурс среди ведущих заводов и институтов, но потом пришлось от этого направления отойти. «Все, над чем в свое время работал Баканов,— это авиация, преимущественно военная. На все нужно иметь специальные лицензии, разрешения,— объясняет Антон Тихонов, директор по развитию бизнеса компании "Инновационные системы", разработавшей инновационную двухроторную ветротурбину.— Частной фирме в этой сфере очень сложно пробиться и получить заказ. В конце концов нас вытеснили с этого рынка. Но бакановскую трансмиссию, аналог которой используется в вертолете, мы смогли применить в ветроэнергетике. А ветроэнергетика — это уже частное направление, которое к тому времени получило большую популярность за рубежом».
Эффективность и экология
«Все модели трехлопастных ветряков в мире очень неэффективные»,— рассказывает Елена Тихонова, генеральный директор компании «Инновационные системы». КПД трехлопастных ветряков, которые сейчас устанавливают в ветропарках, очень низкий. По закону Беца, открытому еще в 1919 году, ветрогенератор, а точнее, перфорированный диск может забрать не больше 59,3% мощности падающего на него воздушного потока. По факту производительность современных трехлопастных однороторных ветряков составляет около 30%. «Сейчас в однороторной трехлопастной ветроэнергетике фактически достигнут максимум того, что можно достичь,— говорит Елена Тихонова.— И весь рост выработки происходит в основном за счет двух направлений».
Первое — это увеличение высоты башни, поскольку на большой высоте ветер сильнее, а значит, даже при 30–40-процентном КПД можно получить больше энергии. Сюда же относятся ветротурбины на воздушных шарах: на километровой высоте ветер всегда сильный и постоянный. Подобные проекты есть у американской компании Altaeros Energies, канадской Magenn и других.
Второе — увеличение длины лопастей, ведь чем больше охват площади, тем больше ветра приходит на ветряк. Рост выработки происходит также за счет изменения профиля лопастей, получающих улучшенную аэродинамику. Еще можно установить на одну площадку больше ветряков или сделать их более мощными и вынести в море, где ветер стабильнее и сильнее. Но все это количественные изменения, способные увеличить выработку буквально на какие-то доли процентов, а двухроторный генератор — это качественный скачок в ветроэнергетике, дающий ощутимый прирост в выработке, и его можно использовать везде: на суше, на море и даже в воздухе.
Инфразвук
«Трехлопастные ветроустановки производят инфразвук — звуковые волны, которые не воспринимаются человеческим ухом,— объясняет Елена Тихонова.— Когда лопасть идет мимо башни, воздух сжимается, а потом "выстреливает". Это и есть источник инфразвука. Сейчас в ветропарках ставят большие мощности: чем больше мощность ветряка, тем ниже частота инфразвука, тем сильнее его воздействие. Поэтому во многих странах расстояние от ветропарков до жилых зон законодательно ограничено. Инфразвук оказывает пагубное действие на живых существ, в том числе человека. Особенно он опасен при фазовом совпадении частот, например, когда после затишья подул ветер и несколько трехлопастных ВЭУ синхрофазно начали вращаться. Известны случаи, когда в районах, где расположены ветропарки, при таком стечении обстоятельств происходила массовая гибель птиц и животных. Это стало одной из причин, почему мы решили делать двухроторную ветротурбину с разным числом лопастей: она не создает звуковых биений и, следовательно, инфразвука».
«Когда мы с Бакановым проанализировали все, что существует в мире из большой ветроэнергетики, поняли, что работать над трехлопастными ветряками бесперспективно,— продолжает Елена Львовна.— В них денег вбухано столько, что нам там ловить нечего, ведь в разработки мы вкладывали собственные средства, и это были совсем не миллиарды. Все началось с рассуждений. Баканов говорит: "Лен, а ведь газовая турбина всегда имеет два ротора, и у нее КПД доходит до 96%. Почему бы это в ветроэнергетике не применить?" Пригодился и его опыт работы над редукторами для двухроторных вертолетов "Камов". Подъемная сила двухроторного вертолета значительно больше, чем однороторного, поэтому он и решил использовать такую конфигурацию».
Ротор — это подвижная часть турбины, к которой крепятся лопасти, двухроторная конфигурация — система из двух основных роторов, вращающихся в противоположных направлениях. У трехлопастного ветрогенератора один ротор; у двухроторного — девять лопастей: четыре на одном роторе, пять — на другом.
Ветропарк малой площади
Для ветропарка с двухроторными установками нужно меньше площади, чем с трехлопастными. «В трехлопастном ветряке лопасти закручивают поток воздуха. В ветропарке этот закрученный поток переходит к следующему ветряку, и чтобы поток восстановился, ветряки надо ставить на достаточно большом расстоянии друг от друга,— объясняет Антон Тихонов.— В нашей мегаваттной ветротурбине после второго ротора идет спрямленный воздушный поток. А поскольку он спрямлен, то легко восстанавливается. Поэтому площади под наши двухроторные ветротурбины в ветропарках требуется значительно меньше: вместо 10 диаметров ротора у трехлопастных ВЭУ расстояние между соседними ветряками для двухроторных ветротурбин составит 2–2,5 диаметра ротора».
Когда в «Инновационных системах» построили математическую модель, удивились, какой высокий получился КПД: 70–80% с учетом потерь на электрические сети — провода, преобразователи и т. д. «Основной прирост выработки в нашем ветрогенераторе происходит как раз за счет двухроторного механизма, дополненного сумматором и мультипликатором,— говорит Антон Тихонов.— Благодаря этим устройствам ротор увеличивает получаемую мощность. Кроме того, наша установка забирает ветер фактически на 80% в отличие от трехлопастных ветряков. То есть практически все, что попадает на наш ветряк, преобразуется в электроэнергию. А еще наши двухроторные ветротурбины специально рассчитаны на небольшие скорости ветра. Чем выше КПД установки и реальнее используемые ветра, тем выше выработка ветротурбины и значительно ниже себестоимость полученной электроэнергии. И тем выгоднее двухроторная ветротурбина покупателю».
Европейские партнеры отмечают также, что эти установки безопасны для перелетных птиц. Благодаря быстрому встречному вращению лопастей, которые образуют хорошо видимый диск, птицы их легко облетают.
Почему заграница
«Когда мы занялись ветротурбиной, Россию это не интересовало»,— признается Елена Львовна. «Мы обращались в министерства, крупные компании, демонстрировали опытные установки,— поддерживает коллегу Антон Тихонов.— Но обычно получали ответ: "Зачем это все? У нас есть дешевые газ и нефть". В России мы эту технологию продвинуть не смогли и тогда поняли, что наш основной рынок лежит за рубежом. Благодаря Анатолию Георгиевичу мы получили шанс выйти на иностранные рынки. Первым заинтересовался Вьетнам. Там решили заказать установки, производство которых они смогут освоить у себя. Так вышли на мощность один мегаватт. Сейчас по ветротурбине ИнС-В-1000 подготовлена вся документация, успешно прошли заводские испытания. После натурных испытаний и всех необходимых доработок для передачи в серию мы сможем выпускать десятки, может быть, даже сотни установок».
Карбон vs стеклопластик
Увы, трехлопастные ветрогенераторы представляют опасность для окружающей среды. Дело в том, что их лопасти сделаны из стеклопластика, который пока не научились эффективно перерабатывать. Отслужившие свой срок лопасти часто просто закапывают в землю! По данным интернет-портала elec.ru, до 2022 года в Европе предполагается ежегодно демонтировать свыше 3800, а в США — около 8 тыс. лопастей. Под их захоронение выделяются огромные площади, которые превращаются в мертвые мусорные полигоны. «Лопасти мы делаем из углепластика, который сейчас применяется повсеместно и который можно утилизировать»,— подчеркивает Елена Тихонова.
Когда был зарегистрирован американский патент, интерес к инновационным ветрякам проявила Саудовская Аравия. Экспертизу она заказала у европейских компаний, те подтвердили, что технология перспективная. Сейчас проект с саудовцами активно развивается, и в компании надеются, что уже в следующем году смогут запустить мегаваттную ветротурбину в инновационном городе Неом на северо-западе страны. А со временем там появится ветропарк на основе воронежских двухроторных ветряков.
Есть интерес к российским ветрякам и в Индонезии: там тысячи островов, и каждый требует своей генерации. Но есть и своя специфика, говорит Антон Тихонов. Конкуренты, предлагающие трехлопастные установки, приходят со своими деньгами, обещают взять все затраты по установке на себя. Для местных властей такие предложения очень соблазнительны, но ветряки «Инновационных систем» индонезийцам тоже нравятся, так что сейчас договариваются о пилотном проекте.
Основные преимущества двухроторной турбины
|
Недавно технологией заинтересовались в США. «В Штатах сейчас бум ветроэнергетики,— рассказывает Антон.— Мы недавно создали там СП, ведем переговоры с Ассоциацией офшорной ветроэнергетики США и готовимся найти продукт, с которым выйдем на американский рынок. Мегаваттные установки Америке неинтересны: там хотят 32 мегаватта. Наши конструкторы подтверждают, что такая задача нам по силам, было бы стабильное финансирование».
А что же Россия? «Мы патриоты,— говорит Антон Тихонов,— мы хотим развивать производство в России, но понимаем, что сейчас можем попасть только в изолированные зоны Дальнего Востока и Арктики». Компания уже заключила соглашение о сотрудничестве с Агентством Дальнего Востока по привлечению инвестиций и поддержке экспорта (АНО АПИ), чтобы построить в Дальневосточном федеральном округе ветропарк. Есть идея организовать производство турбин или их основных узлов в Приморском крае или на Сахалине, на территории опережающего развития, чтобы не тратиться на доставку. Арктическая зона перспективна благодаря Северному морскому пути, который требует множества метеостанций, станций обслуживания. Это очень большой рынок под установки от 30 до 200 кВт. «Мы бы хотели найти партнера, с которым начали бы развивать серийное производство для арктической программы,— продолжает Антон Тихонов.— Он бы помог наладить обслуживание и сеть продаж небольших установок, а мы смогли бы заниматься более мощными турбинами, развитием технологии. Для выпуска маленьких ветряков достаточно небольшого цеха. Эти установки нужно выпускать десятками тысяч, потому что есть много желающих их купить: дачники и жители коттеджных поселков к нам тоже часто обращаются. Но для этого, повторюсь, нужен партнер, который наладил бы производство».