Поиск - новости науки и техники

На воду ложись! Оригинальный проект дальневосточных ученых открывает новые перспективы для зеленой энергетики.

…Несколько лет назад судьба забросила меня в командировку в Германию. Поездка была посвящена возобновляемой энергетике. Целую неделю организаторы возили нас по стране, демонстрируя последние новинки европейской “зеленой энергетической моды”. Однажды в связи с технической накладкой нашей группе журналистов пришлось поздним вечером провести пару часов в чистом поле, буквально усеянном десятком ветряных турбин. Пожалуй, это стало самым ярким моментом путешествия – страшный монотонный гул, издаваемый гигантскими винтами, и вибрацию земли, вызванную их действием, испытав раз, забыть уже сложно. А ведь известно, что помимо внесения в жизнь людей чисто эстетического дисбаланса ветряки пагубно влияют и на местную фауну, приводя к гибели птиц, препятствуя нормальной жизни мелких грызунов.
Подобные побочные эффекты ветроустановок – одна из причин, по которой население их недолюбливает и стремится вынести с глаз долой – куда подальше. Поэтому, например, сегодня ветрогенераторы все активнее размещаются в акватории Северного моря, что позволяет на 40% увеличить количество энергии, получаемой с их помощью: как правило, граница суши и моря характеризуется сильными и устойчивыми ветрами, также над морем ниже турбулентность воздушных потоков.
Несмотря на то что наша страна традиционно ориентирована на получение энергии за счет полезных ископаемых, в мае прошлого года Правительство РФ утвердило-таки механизм поддержки рынка возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на основе механизма приоритетного права выхода на рынок мощности. Это дало дополнительный стимул российским ученым разрабатывать новые проекты в данной области. Например, специалисты Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) пошли дальше своих европейских коллег: они сделали вывод, что все современные шельфовые установки имеют унаследованные недостатки и ограничения. В частности, единичная мощность стандартных ветряков в море ограничена и составляет сегодня менее 10 МВт, рабочий диапазон скорости ветра достаточно узок, наконец, они по-прежнему представляют опасность для птиц и морских млекопитающих…
В ДВФУ под руководством доцента кафедры технологий промышленного производства Виктора Чебоксарова сейчас работают над созданием ветроэнергетических морских установок (ВЭМУ) – ветряков нового типа. Среди целей проекта – значительное увеличение единичной мощности ветро­установок, обеспечение их безо­пасной работы при сильных ветрах, расширение рабочего диапазона ветров, снижение стоимости энергии, исключение генерации инфра­звуков и опасности для птиц. Но как осуществить задуманное? Оказалось, очень просто: надо всего-то… уложить ветряк на воду!
– Первые идеи подобной разработки возникли еще в середине 1990-х годов у моего отца, Валерия Чебоксарова, когда к нему поступила просьба починить пропеллерный ветряк, который был тогда установлен у одного из корпусов нашего университета. Сильные приморские ветра просто загнули его лопасти, – рассказывает корреспонденту “Поиска” Виктор Чебоксаров. – Отец, станкостроитель, автор десятков патентов в разных областях машиностроения, мыслил свободно и хорошо знал, что представляют собой опоры жидкостного трения. Он первым понял, что ротор ветротурбины можно положить на воду. К великому сожалению, несколько лет назад он ушел из жизни, без него наш проект не развивается так быстро, как хотелось бы, но все-таки движется.
Инновационность разработки заключается в плавучем роторе ветроустановки. Вода здесь играет роль подшипника для турбины очень большой мощности. Оригинальной является и вся схема преобразования энергии в наших установках: для этого используется гидравлическая трансмиссия на основе специальных насосов и так называемых высоконапорных водяных турбин Пелтона (применяются на высокогорных ГЭС). Электрогенераторы сопряжены уже с этими турбинами. Дорогие и малонадежные зубчатые мультипликаторы здесь исключены, хотя частота вращения ветротурбины очень низкая (линейная скорость лопасти, как правило, не превышает скорость ветра). С такой трансмиссией очень хорошо согласуются дальнейшие преобразователи энергии: электролизеры высокого давления, опреснители морской воды и т.д.
К плюсам ВЭМУ можно отнести практически полную экологическую чистоту, а также шанс сделать ветроэнергетику поистине “большой энергетикой” (сравнимой по отдаче с тепловой, атомной и гидрогенерацией), причем конкурентоспособной за счет снижения стоимости. Также следует отметить упрощенную технологию производства и транспортировки наших установок, более дешевые материалы. В основном в конструкции ВЭМУ могут использоваться недорогие низколегированные стали, из которых строятся корпуса морских судов. В отличие от пропеллерных, в нашей турбине нет необходимости стремиться к облегчению за счет применения высокопрочных, но дорогих материалов. Дополнительная плавучесть более тяжелой конструкции легко обеспечивается некоторым увеличением водоизмещения погруженной части ротора. Но есть у проекта и свои минусы. Основной – дополнительные потери энергии на трение в воде. Правда, они не столь критичны, как это может показаться специалистам-корабелам: по результатам нашего моделирования, в воде будет теряться в пределах 4-7% энергии, а это – вполне приемлемая цифра.
Если говорить об аналогичных исследованиях, ведущихся в мире, то тут весь вопрос в том, что именно считать аналогами. Морские установки в Европе – уже не новость. Но все существующие сейчас модели относятся к традиционной компоновке: турбины имеют горизонтальную ось вращения (Horizontal-axis wind turbines – HAWT), отчего и возникают основные проблемы и ограничения. У нас же турбина вращается вокруг вертикальной оси (Vertical-axis wind turbines – VAWT).
Есть несколько проектов морских VAWT по схеме так называемой турбины Дарье или одной из ее разновидностей. Наш коллега Виктор Лятхер из ОАО “Научно-исследовательский институт энергетических сооружений” ­(НИИЭС) давно предложил схему крупногабаритной мощной VAWT по системе Дарье (для суши). Но турбина Дарье, используемая на суше, показала меньшую эффективность и недостаточную надежность. Нет никаких оснований считать, что эти факторы исчезнут на море. Наша турбина также работает по технологии VAWT, но не относится ни к турбинам Дарье, ни к турбинам другого известного типа – Савониуса. У нас она выходит низкоскоростной, с регулируемыми (оптимально управляемыми) углами атаки лопастей.
При серийном производстве наши установки будет строить проще и дешевле, чем крупногабаритные HAWT. Использовать планируем в основном дешевые судостроительные технологии, а не авиационные, как для лопастей пропеллеров. Не потребуются нам и специальные плавкраны, которые необходимы для монтажа крупногабаритных HAWT на шельфе. Что касается влияния ВЭМУ на местную экологию, флору и фауну, то тут ожидается только положительный эффект: наши ветрогенераторы в отличие от HAWT не создают никакой опасности для птиц, рыб, не производят инфразвуков. Медленное вращение установки будет способствовать насыщению воды кислородом, что приведет к росту фитопланктона и биологическому очищению загрязненных акваторий.
ВЭМУ отличаются повышенной надежностью и ремонтопригодностью за счет параллельной схемы на всех уровнях. То есть выход из строя какого-либо элемента структуры не вызовет прекращения работы всей установки, лишь несколько снизится ее производительность. Как правило, неисправный элемент заменяется “на ходу” и вскоре включается в работу. Размещение ВЭМУ будет наиболее актуально во всех прибрежных районах с повышенной среднегодовой скоростью ветра. А таких на российском побережье достаточно много. Это легко проследить по метеорологическим атласам. Наиболее сильные ветра наблюдаются, например, на Курилах, Алеутских островах. ВЭМУ можно ставить также и на озерах, больших прудах, но на море ветра обычно сильнее, а потоки менее турбулентны.
Сегодня над этим проектом трудится относительно небольшой коллектив ученых. Все работы выполняются в рамках учебного процесса. В них задействованы студенты инженерных специальностей и магистратуры. В основном это ребята с нашей кафедры технологий промышленного производства. Периодически к ним присоединяются и студенты кафедр гидротехники и архитектуры ДВФУ – выполняют свои дипломные проекты. В вопросах производства топлива на базе ветроэнергии мы сотрудничаем с кафедрой физической химии, есть совместные публикации. В сфере использования энергии ветра на установках марикультуры консультируемся со специалистами Института биологии моря Дальневосточного отделения Российской академии наук. До конца 2009 года также очень активно сотрудничали и c Институтом автоматики и процессов управления ДВО РАН – все основные модельные расчеты выполнялись на суперкомпьютерах данного учреждения.
К сожалению, у нас нет регулярного финансирования. В 2006-2009 годах удалось получить совместный грант Российского фонда фундаментальных исследований и Тайваньского общества по поддержке науки. Эти средства позволили выполнить часть расчетов и провести краткий эксперимент с упрощенным прототипом водяной турбины в буксировочном бассейне Национального Тайваньского университета. В 2010-2011 годах мы попытались найти европейских партнеров и создать консорциум для участия в 7-й Рамочной программе Евросоюза по научным исследованиям и технологическому развитию. Головной в этом консорциуме выступала испанская промышленная компания. Увы, одного соинвестора тогда не хватило, и заявку отклонили.
Наш проект вошел в число перспективных для финансирования в рамках Технологической платформы “Перспективные технологии возобновляемой энергетики” РусГидро. Но и там рассмотрение затягивается. О результатах исследований, проведенных нашей командой, я регулярно докладываю на семинарах в профильном отделе ОАО НИИЭС, на кафедре НВИЭ Московского энергетического института, на кафедре турбин в МГТУ им. Н.Э.Баумана, на семинарах в департаменте ветроэнергетики Датского технического университета и т.д. Сейчас у нас накопилось достаточно публикаций в крупных научных журналах. Но, к сожалению, со стороны оте­чественных властей особого интереса к нашему проекту пока не наблюдается…

Подробнее с проектом ВЭМУ можно познакомиться на сайте wemuwiki.ru.

Анна ШАТАЛОВА

Нет комментариев