ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ И
БЕЗМУЛЬТИПЛИКАТОРНЫЕ ТУРБОГЕНЕРАТОРНЫЕ ВЕТРОВЫЕ УСТАНОВКИ
Н.С. Голубенко, С.И. Довгалюк, А.М. Фельдман, В.А. Цыганов
Темпы роста ветроэнергетики по данным Института мировых исследований в 1990 – 2002 гг. в среднем в мире составляли 20 – 25 % в год, тогда как темпы роста в традиционной энергетике - 1,5 % и в атомной - 0,6%. До 2020 г. планируется довести производство электроэнергии ветровыми станциями до 10 – 15 %, что превысит выработку электроэнергии атомными станциями.
По состоянию на конец 2002 г. в мире уже введены в эксплуатацию ветровые электростанции (ВЭС) общей мощностью 31 млн. кВт: Германия – 12 млн. кВт, Испания – 4,8 млн. кВт, США – 4,7 млн. кВт, Дания – 2,9 млн. кВт, Индия – 1,7 млн. кВт.
Мировые лидеры ветроэнергетики планируют довести к 2020-2030 гг. выработку электроэнергии в национальном балансе своих стран: Германия, Дания, Испания, Голландия и Великобритания – до 30 %, США – до 25 %, Индия и Китай – до 15 %.
Развитие ветроэнергетики характеризуется непрерывным увеличением единичной мощности ветроэлектрических установок (ВЭУ). До 1980 г. строились ВЭС на базе ВЭУ единичной мощностью 100 – 300 кВт, в 1990 – 2000 г.г. на базе ВЭУ мощностью 300 – 600 кВт. С 2002 г. серийно производятся ВЭУ мощностью 600 – 1800 кВт и более.
Лидерами по созданию и производству современных ветровых установок большой мощности являются германские фирмы Enercon, NEG Micon, Vestas, Bonus, Nordeks и De Wind.
В частности, фирма Enercon серийно производит ветроустановки мощностью 1800 кВт, Bonus – мощностью 2000 кВт. Фирма Nordeks освоила серийное производство семейства ВЭУ c опорами различной высоты мощностью 2500 кВт.
В лидеры по созданию сверхмощных ВЭУ вышла фирма Enercon, которая в августе 2002 г. ввела в эксплуатацию опытную ВЭУ мощностью 4500 кВт.
С увеличением единичной мощности снизилась и удельная стоимость ВЭУ с 1500 дол. США за 1 кВт установленной мощности до 800 – 1000 дол. США.
Тариф на электроэнергию, выработанную ветровыми электростанциями, снизился с 25 центов (1980 г.) до 5 центов (2000 г.).
Украина в области ветроэнергетики является ведущим государством в странах бывшего Советского Союза и социалистического лагеря. Разработана и действует государственная «Комплексная программа строительства ветровых электростанций», в соответствии с которой планомерно осуществляется финансирование работ.
Украина по состоянию на конец 2002 г. находится на 15 месте в мире по суммарной мощности ветроэлектрических станций – 44 МВт.
ПО «Южный машиностроительный завод» (г. Днепропетровск) совместно с фирмой «Уиндэнерго лтд» изготовили и ввели в эксплуатацию около 500 ветровых электрических установок мощностью 100 кВт каждая по документации американской фирмы Kenetech US Windpower, на базе которых построен ряд ветровых электростанций - Донузлавская, Новоазовская, Сакская, Судакская, Мырнивская, Трускавецкая.
Государственное конструкторское бюро «Южное» (г.Днепропетровск) создало ветровую электрическую установку АВЭ-250С мощностью 200-250 кВт, на базе которой построены опытные ВЭС – Восточно-Крымская и Аджигольская (Николаевская область) в Украине, Воркутинская и Чукотская ВЭС в Российской Федерации.
Особенностью этой ВЭУ является наличие синхронного генератора, что позволяет ей работать как на промышленную сеть, так и совместно с дизель–генераторной станцией (Чукотская ВЭС).
В настоящее время ГКБ «Южное» завершает создание ВЭУ мощностью 500 кВт.
На ПО ЮМЗ ведется подготовка производства ветровой установки Т600-48 по лицензии фирмы “Turbowinds” (Бельгия). В 2003 г. первая ветровая установка Т600-48 смонтирована на Тарханкутской ветровой электростанции, еще две – на Новоазовской ВЭС.
Развитие ветроэнергетики в мире в настоящее время идет по двум основным направлениям:
1. Совершенствование традиционной классической схемы ВЭУ с двухрежимным асинхронным генератором 1000-1500 об/мин и мультипликатором (фирмы Vestas, Micon, DeWind, Bonus и др.).
2. Внедрение безмультипликаторной схемы ВЭУ с тихоходным многополюсным синхронным генератором и преобразователем частоты электрического тока (фирмы Enercon, Henesis, Scan Wind Group AS и др.).
В новых образцах зарубежных ВЭУ представлена и новая схема фирмы WinWinD, представляющая нечто среднее между первым и вторым направлениями – ветровая установка мощностью 1000 кВт с относительно тихоходным генератором 150…200 об/мин и одноступенчатым планетарным мультипликатором.
Безусловно, среди существующих схем преобразования энергии ветра наиболее привлекательной является безмультипликаторная. Однако, вес и габариты современных тихоходных генераторов весьма значительны. Так генератор ветровой установки Е-40 фирмы Enercon имеет диаметр около 5 м и вес ~ 12 т. При этом наличие переменной частоты вращения ротора требует наличия преобразователя частоты электрического тока. Это неизбежно приводит к увеличению и веса и стоимости ВЭУ приблизительно на 20%.
Промышленно–финансовая группа «Конкорд» в конце 2002г. в своем составе создала подразделение по ветроэнергетике и приступила к созданию принципиально новой высокоэффективной безмультипликаторной турбогенераторной ветроэлектрической установки ТГ-750 мощностью 750 кВт, лишенной названных выше недостатков. Основные отличительные особенности турбогенераторной схемы ВЭУ защищены патентами Украины.
Основной отличительной особенностью ветровой установки ТГ-750 является безмультипликаторная турбогенераторная схема преобразования энергии ветра с синхронным индукторным генератором, п о з в о л я ю щ а я :
• работать при переменной частоте вращения ротора с максимальным к.п.д. без преобразователя частоты электрической энергии;
• применить синхронный индукторный генератор с частотой вращения ротора 600 об/мин, вместо традиционно применяемых асинхронных генераторов с частотой вращения 1000…1500 об/мин;
• исключить нагрузки на корневую часть лопасти и ступицу от крутящего момента благодаря размещению турбогенераторов в центре давления аэродинамических сил;
• уменьшить нагрузки на лопасти от осевой аэродинамической силы благодаря размещению турбогенераторов в центре давления аэродинамических сил и установке лопастей с углом склонения в сторону гондолы;
• обеспечить стабильность параметров генерируемой электроэнергии в условиях порывистого ветрового потока благодаря более высокому моменту инерции ротора и плавному регулированию частоты оборотов основного ротора;
• обеспечить генерирование электроэнергии во всем рабочем диапазоне скоростей ветра от 3,5 до 65 м/с;
• возможность параллельной работы как с промышленной сетью, так и с дизель-генераторной электростанцией.
Общий вид ТГ-750, выполненный средствами компьютерной графики в соответствии с конструкторской документацией, приведен на рис.1.
По сравнению с лучшими на сегодняшний день зарубежными аналогами - Turbowinds Т600-48 и Enercon E-40 – турбо-генераторная ветровая установка ТГ-750 имеет значительно лучшие весовые и энергетические характеристики при меньшей в ~1,5 раза стоимости.
К настоящему времени по ветровой установке ТГ-750 разработан технический проект, проведены необходимые электродинамические, аэродинамические и прочностные расчеты, разработана конструкторская документация. Создана кооперация предприятий изготовителей и начато изготовление основных узлов и систем опытного образца ВЭУ.
К созданию ТГ-750 привлечены опытные специалисты департамента ветроэнергетики ПФГ «Конкорд», а также известные НИИ, КБ и заводы: ГКБ «Южное», Новокраматорский машиностроительный завод, Институт технической механики НКАУ и НАНУ, Институт проблем прочности НАНУ, Институт электродинамики НАНУ, Институт проблем машиностроения НАНУ, Инженерная академия Украины, Государственное предприятие Восточно-Крымская ветровая электростанция, Днепропетровский национальный университет, Днепропетровская академия инженеров транспорта, Днепропетровская горная академия, Харьковский электромеханический завод, НП АО «Электромаш» (г.Тирасполь), ГУП МО НПП «Ветроэн», Московский энергетический институт (Российская Федерация) и др.
Зависимости мощности и годовой выработки электроэнергии от скорости ветра приведены на рис.2 и 3 соответственно.
Рисунок 2. - Зависимость мощности от скорости ветра на высоте оси ротора.
Рис.3. - Зависимость годовой производительности энергии от среднегодовой скорости ветра на высоте оси флюгера h=10м
Опыт зарубежных фирм Enercon, Micon, Vestas показал, что эти фирмы, создавая ветровые установки, первоначально строили собственные ВЭС за счет кредита и продавали электроэнергию. В дальнейшем, накапливая капитал, через 2 – 3 года создавали новый образец с удельными показателями на 15 – 20 % лучше предыдущего и только глубоко и всесторонне отработанную технику в дальнейшем производили для внешнего рынка.
Так фирма Enercon, созданная в 1985 г. и наиболее ярко реализовавшая вышеописанную схему развития, уже в 1992 г. имела ежегодную прибыль около 25 млн. $, в 1999 г. – 80 млн. $, в 2002 г. – 140 млн. $.
Большое значение для эффективного бизнеса в области ветроэнергетики имеет тариф на электроэнергию. Так, например, в Германии закупочная цена 1 кВт•часа электроэнергии для тепловых станций составляет 0,07 – 0,08 $. Для ветровых электростанций (как для экологически чистых источников энергии) установлен тариф 0,12 $/кВт•час.
В Украине на электроэнергию, вырабатываемую ветровыми электростанциями, «Энергорынок» установил тариф 23 коп/кВт*час (0,043 $/кВт*час).
В ближайшее время цена на электроэнергию неизбежно будет возрастать, и следует ожидать, что для ВЭС цена окажется на уровне 0,05 – 0,06 $ в течение ближайших 3…5 лет.
Расчеты и анализ, проведенные с целью выбора оптимального направления развития ПФГ «Конкорд» в области ветроэнергетики, показали, что на начальном этапе, рассчитывая на собственные или кредитные средства в размере 3-4 млн. $, на базе ветровой установки ТГ-750 можно в течение 5…7 лет построить собственную негосударственную ВЭС мощностью ~ 30 МВт (40 ветровых установок ТГ-750), которая будет давать доход 3-4 млн. $ ежегодно.
Специалистами ПФГ «Конкорд» разработана концепция строительства ВЭС с использованием минимальных начальных кредитных средств и с последующим наращиванием генерирующих мощностей на основе самофинансирования. Просчитаны десятки вариантов строительства ВЭС в зависимости от стартовых кредитных средств, сроков возврата кредитов, темпов наращивания генерирующих мощностей и других параметров.
ПФГ «Конкорд», связав свою судьбу с отечественной ветроэнергетикой, будет рада найти поддержку в лице заинтересованных организаций и предприятий, что позволит на взаимовыгодной основе ускорить осуществление планов по созданию новых турбогенераторных ветровых установок и строительству ветровых электрических станций на их основе.
В ы в о д ы
1 В настоящее время ветроэнергетика является наиболее динамично развивающейся отраслью в развитых странах мира – ежегодный прирост генерирующих мощностей составляет 20-25%.
2 Создание безмультипликаторной турбогенераторной ВЭУ ТГ-750 Промышленно-финансовой группы «Конкорд» с высокими удельными показателями открывает новые возможности в развертывании производства высокоэффективного ветроэнергетического оборудования.
3 Разработана концепция строительства негосударственных ветровых электростанций с использованием минимальных начальных кредитных средств и с последующим наращиванием генерирующих мощностей на основе самофинансирования.
Источник: Проектно конструкторское технологическое бюро «КОНКОРД», [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://wind.dp.ua/