Ветрогенераторные системы. Сделано в Челябинске, испытано в условиях Крайнего Севера
По оценкам российских и мировых экспертов, нефти и газа на планете хватит лишь на несколько ближайших десятилетий. Как человечеству жить дальше? Ученые стали задумываться над альтернативными источниками энергии. Солнечный свет, ветер, дождь и морские приливы – что из них использовать эффективнее всего? В Челябинске разработали вертикально-осевую ветроэнергетичесую установку, которая оказалась востребована как в России, так и за рубежом. Поскольку не имеет аналогов в мире. Эту разработку недавно оценили и российские военные.
Исходные условия в России
В России электроэнергия доступна примерно 70 % населения. При этом электрические сети проведены только на 30% территории страны. Для многих мест, особенно удаленных от крупных городов и основных магистралей, отличным выходом могут стать ветроэнергетические энергоустановки. Обыватели обычно представляют себе их в виде этаких мельниц, по научному - горизонтально-осевых установок. Их так называют, поскольку ось их вращения параллельна поверхности земли. Нередко такие ветряки можно сегодня видеть в кино. Однако в последнее десятилетие во всем мире стали востребованными вертикально-осевые ветряки, имеющие принципиальные преимущества.
Все началось в Южно-Уральском государственном университете. Профессор кафедры «Электротехника и возобновляемые источники энергии» Евгений Соломин стал автором идеи. Еще в 2000 году он создал экспериментальный образец новой установки классическим образом – в гараже. Она была маломощной, но работала! Первые испытания прошли на берегу Первого озера в Челябинске. С тех пор в Челябинске ведутся работы по усовершенствованию изобретения. Преподаватели и студенты проектируют новые и новые модификации энергетических установок. Техническая база лаборатории позволяет моделировать работу электростанций, наблюдать за поведением приборов в различных условиях, имитировать ветер необходимой скорости, рассчитывать размеры, количество лопастей и многое другое. Отзывы первых потребителей вдохновляют разработчиков. В Троицком районе Челябинской области одно из фермерских хозяйств уже полностью «питается» от ветра. Для этого там подходящие климатические условия: на открытой местности скорость ветра постоянно держится на уровне 8-9 м/с.
По заказу нашего сетевого издания был снят фильм об этом уникальном изобретении - http://lentachel.ru/articles/27434
Ветровые электростанции
Ветровые электростанции – один из самых экологически чистых способов производства энергии. При этом традиционные горизонтально-осевые, особенно малые установки создают достаточно ощутимый шум, вибрацию, инфразвук и ультразвук. Вблизи таких установок не живут мелкие животные, которые прекрасно чувствуют какие-либо опасные колебания. Однако изобретение Соломина и его команды решило эти проблемы. Рядом с его ветряками находиться безопасно и человеку, и животному. Вертикально-осевые ветряки уже стали выпускать в Челябинске опытными партиями. Проектом заинтересовались на российском Севере, а также в Японии и США. Причем, японцы выразили готовность заказать сразу 10 тысяч изделий. В Калифорнии уже работают пять челябинских ветряков, американцы ждут новые поставки. Более того, совместно с учеными из Университета Калифорнии города Беркли южноуральские специалисты планируют приступить к разработке установок мегаваттного класса. Тем временем из Германии поступил запрос на разработку небольших установок мощностью до 500 ватт, которые смогут базироваться на привычном нам автомобильном прицепе. Такие устройства значительно упростят функционирование электромобилей вдалеке от электрических сетей – при проведении дорожных работ, в геологоразведочных партиях, наконец, на природе. Об эффективности новых установок говорят такие примеры. Энергокомплекс мощностью в 3 кВт может обеспечить электроэнергией небольшой дом в 100 кв.м. при скорости ветра 4-5 м/с, а мощностью в 30 кВт – способен поддерживать работу целого небольшого завода. Такая установка сможет работать даже во время землетрясения, что является оптимальным решением энергоснабжения во многих странах! А в свете Послания Президента России Федеральному собранию данное направление разработок становится как нельзя более актуальным. Ведь оно одновременно является самым настоящим вариантом импортозамещения. И вдобавок еще и экспортно востребованной продукцией. Отдельно отметим, что как сами ветроустановки, так и технологии этого проекта востребованы также на Западе.
Сегодня ветряки, сделанные Соломиным и его командой, работают на берегу Баренцева моря, на Камчатке, Бурятии, в Улан-Уде, Сан-Франциско. Спрос на них в мире просто огромный. Однако серийного производства до сих пор не было. Поскольку ни государство, ни крупные компании практически не вкладывались в проект. Что, честно говоря, сильно удивляет.
Рывок на Север
Но возможно, всему свое время. Прорывным с точки зрения организации серийного производства может стать использование новых установок на российском Севере, где на них обнаружился особенно большой спрос. Вертикально-осевые установки прошли недавно тестирование в условиях крайнего Севера и показали более высокие характеристики, чем ветроустановки других типов. Сейчас заказчиками челябинских ветряков стали уже представители Минобороны.
Эксперты НИИ космического приборостроения, входящего в структуру ОАО «Объединенная ракетно-космическая корпорация», высоко оценили челябинскую разработку. Обоснование ее необходимости Евгений Соломин изложил вместе с соавторами из этого НИИ в статье «Автономное энергоснабжение объектов Крайнего Севера».
Авторы, в частности, отмечают: северные регионы России занимают 65 % территории нашей страны. При этом они в основном плохо освоены. Пока в северных территориях живет лишь немногим более 7 % населения страны. С другой стороны, стоимость запасов полезных ископаемых в России составляет более 30 триллионов долларов. 70 % этих запасов относится к Северу. Как ни крути, освоение северных территорий неминуемо должно стать приоритетным направлением экономического развития России. Уже сейчас Север производит 25 % ВВП России и обеспечивает более половины валютных поступлений в страну. Отдельно отметим, что Северный морской путь является одной из самых эффективных транспортных магистралей планеты. Плюс встает вопрос освоения Арктики, вопрос, сочетающий в себе экономику и политику.
Однако условия Севера накладывают ряд дополнительных требований к навигации. В частности, нужны локальные так называемые технико-социальные системы с высокотехнологичным материальным обеспечением. Освоение суровых северных территорий требует социальной инфраструктуры. Увы, сейчас налицо противоположные процессы. Из северных территорий идет отток рабочей силы, производства сокращаются.
Простой анализ ситуации показывает, что в первую очередь Северу нужны энергетические ресурсы. Без тепла, света и электропитания ни о каком развитии говорить не придется.
Как же обеспечить энергией Север? Расчеты показывают, что провести линии электропередачи даже из близлежащих регионов будет непомерно дорого. Идея же с плавучими атомными электростанциями, предложенная организацией «Нефть России», может нанести непоправимый ущерб окружающей среде. Есть старый способ с использованием дизельных электростанций. Сегодня именно они наиболее распространены на российском Севере. В то же время дизель-генераторы чувствительны к низким температурам, имеют ограниченный моторесурс. И вдобавок нуждаются в постоянно техническом обслуживании и своевременной доставке дизельного топлива. Причем, в большом количестве.
Для изучения возможностей альтернативной энергетики в условиях Севера объединили усилия ученые Южно-Уральского госуниверситета, ОАО «КБ «Кунцево» и НИИ космического приборостроения. Так сначала появился пилотный проект полностью автономной энергетической инфраструктуры на основе возобновляемых источников энергии. На одном из объектов Гидрографической службы Северного флота установлено оборудование навигационной системы ГЛОНАСС. Этот объект находится на мысе Канин нос, который омывается Белым морем с юго-запада и Баренцевым – с северо-востока. Удаленная управляющая станция находится в Архангельске, а дифференциальная станция расположена непосредственно на упомянутом мысе. Общее потребление электропитания дифференциальной станцией – 400 Вт. Для электроснабжения используется классический дизельный электрогенератор.
Как легко понять, данная система должна работать непрерывно. Наиболее эффективной заменой дизельных электростанций на мысе могут стать ветроэнергетические установки отечественной разработки. При этом ветроэнергоустановки, разработанные в ЮУрГУ, имеют ряд бесспорных преимуществ по сравнению с горизонтально-осевыми аналогами и уже подтвердили это на практике. Что принципиально важно, ветроэнергетические установки позволяют вырабатывать не только электроэнергию, но и давать тепло. При этом эксплуатация ветряков дает еще и экономию в деньгах за счет создания систем обогрева помещений со средним энергопотреблением 15-20 Вт/м2 и систем энергосберегающего освещения с низким потреблением электроэнергии. Указанный уровень мощности – среднее энергопотребление небольшой семьи из 3-4 человек.
В данный момент пилотный проект постепенно перерастает в тесное сотрудничество нескольких предприятий, намеревающихся уже в 2016 году запустить серийное производство ветроэнергетических установок. Причем, как для крайнего Севера, так и для любых других климатических условий.
В сентябре прошлого года состоялась экспедиция ученых-разработчиков на мыс Канин нос. В том числе проводились испытания ветроэнергетической установки. Стоит сказать, что на этом мысу средняя скорость ветра – 7-8 метров в секунду. Что позволяет ветроустановке постоянно вырабатывать 1, 5-2 кВт мощности.
Во время экспедиции случился сильный шторм. Более недели судно со специалистами и оборудованием пережидало шторм за островом Моржовец при сильной волновой качке. Тем не менее запланированные работы были проведены. Включая монтаж экспериментальногол образца
ветроэнергетической установки (ВЭУ-3) с новой системой аэродинамической стабилизации частоты вращения. И ветроустановка была запущена в эксплуатацию. Результат – ВЭУ продемонстрировала штатную выработку электроэнергии. Проведенные мероприятия позволили частично разгрузить дизель-генератор. В перспективе снабжение электроэнергией от двух малых ветроэнергоустановок позволит полностью исключить энергопотребление от дизель-генератора. Кстати, малые ветроэнергоустановки имеют ряд дополнительных преимуществ – за счет меньшей парусности, дублирования энергоснабжения в плане бесперебойности в работе, удобства монтажа, обслуживания и ремонта в северных условиях. Кроме того, вертикально-осевые конструкции имеют меньшее лобовое сопротивление, их работа не зависит от направления ветра.
Результатом экспедиции стало подтверждение на практике теорий о том, что на Крайнем Севере навигационные объекты могут работать на основе использования альтернативных источников энергии. Полученный опыт может быть в дальнейшем использован по всему российскому Северу, включая территории с самыми суровыми погодными условиями.
Развитие этого направления в отечественной энергетике должно стать одним из стратегических приоритетов.