Визначимося з поняттями
Сенс і значення аеровисотної вітроенергетики вимагають свого уточнення та визначеності. Відомо, що з існуючих вітроенергетичних установок (ВЕУ) наземного базування, тобто з генеруючими силовими блоками піднятими над землею за допомогою щогл, колон, веж та інших опорних конструкцій, своїм рекордним «зростом» в 183 метра певний час була лідером установка Repower 5M, побудована в 2004 році в ФРН, земля Шлезвіг-Гольштейн, що на кордоні з Данією на узбережжі Північного моря. Теперішній лідер Enercon E-126 вищий ще на 15 метрів.
Таким чином, відштовхуючись від досягнутого можна вважати аеровисотними всі вітрогенеруючі станції, що підняті від фундаменту на 300 м. (відповідає висоті веж Ділового центру «Москва-Сіті») і до висот, які аналогічні Останскінській телевежі (близько 500 м.) чи ще й більших.
Однак висотність ВЕУ не є самоціллю, а засобом досягнення енергії швидкісних шарів земної атмосфери. Діючі промислові установки потужністю в сотні і тисячі кВт працюють на сильних вітрах, які «розгулюють» по берегових лініях морських узбережь і на шельфах зі швидкостями 13-25 м./с. Щоб досягти якісного результату закладені кошти в умовах внутрішньо-континентального клімату, швидше за все потрібно буде досягти висот, де швидкість вітру в 30 м./с. буде нормою.
Існуючий спосіб підйому вітросилових блоків ВЕУ (турбінно-генераторних вузлів) із застосуванням опорних колон вже переходить межі здорового глузду. По масі блоки співвимірні або істотно перевищують матеріаломісткість основного обладнання.
До цього слід додати дані про масивність фундаментів ВЕУ, які не наводяться виробниками при описі цих установок, оскільки вони різняться в залежності від геодезичних особливостей конкретної місцевості. Але і без цієї інформації очевидно, що ціна питання істотно нижча при будівництві на скельних породах, ніж у глибинці більшості материкових територій, де до того ж опори вітрогенераторів повинні «підрости» до 100 і більше метрів, щоб досягти шарів атмосфери із тією ж швидкісною динамікою 13-25 м. /с.
Звідси виходить, що третім і багато в чому головним трендом аеровисотной вітроенергетики повинна стати економічність способу підйому силового блоку на задану висоту в зону сильних, швидкісних вітрів.
Способи і засоби
До останнього часу був відомий єдиний спосіб реалізації аеровисотной вітроенергетики, а саме з використанням повітроплавальних засобів. Розглянемо коротко загальну картину пропонованих в цих цілях методів, маючи на увазі, що перед засобами доставки вітроенергетичного силового блоку на задану висоту стоїть подвійне завдання: підйом силового блоку і забезпечення його надійної геостаціонарності, тобто забезпечення фіксованого положення в просторових координатах.
Повітроплавні засоби поділяються на два основних типи: вітрильні і аеростатні. Відомий пристрій, де використовується повітряний змій, на трос якого навішені гірляндою вітрогенератори горизонтально-осьового обертання (патент SU 69787). Не вдаючись в подробиці, відразу ж відзначимо, що така висотна вітроенергетична станція одразу ж впаде на землю при падінні швидкості вітру нижче критичної позначки.
Та ж небезпека загрожує парусній системі із застосуванням парашутів (патент RU 2338089), яка посилюється схильностями купола до зімяття і переплетінням строп.
Зовсім інший рівень надійності ми маємо в висотній вітросиловій установці (патент SU 8970), де підйом турбінно-генераторних блоків здійснений сигароподібним аеростатом з показниками позитивної плавучості. Завдання підйому вітросилових блоків на задану висоту вирішене цілком задовільно і надійно, але геостаціонарність установки можлива лише при малих габаритах горизонтально-осьових турбін, в силу цього генеруючих низькі потужності, які не мають суттєвого промислового значення. Схема кріплення турбін з великим лобовим опором в високо-швидкісних вітрових потоках навколо оболонки аеростата не сприяє орієнтації пристрою на атмосферний фронт, веде до відхилень в горизонтальній площині і падіння загальної енергетичної ефективності. У місці приєднання причального троса до нерухомої наземної лебідки досить швидко відбудеться руйнування гнучкого зв’язку.
Свіжішим і наближеним до поставленого завдання є проект Windkraftwerk (патент DE 29811094, 1998 р.) з аеростатом обтічної конічної форми, але малопотужною турбіною з лопатями Савоніусата інтенсифікатор (патент UA 69547, 2004 року), перевага якого полягає у використанні двоопуклого аеростата, при цьому його герметичність порушена наскрізним вертикальним валом, а силовий блок розташований всередині оболонки поза зоною доступу та обслуговування, турбіни працюють виключно в потоках повітря, що піднімається і ніяк не інакше.
Загальні моменти та відмінності
Всі об’єктивні природні труднощі переходу від приморської і шельфової (офшорної) вітроенергетики до материкової вітроенергетики дуже не просто подолати. Головними перешкодами є нестабільність атмосфери над внутрішньо-континентальними регіонами, перш за все мінлива спрямованість вітрів, їх достатній потенціал спостерігається тільки на більш значних висотах, з витікаючими з цього підвищеними вимогами до опорних конструкцій і наземних основ ВЕУ.
Для середньо-потужних вітрогенераторів перехід в менш сприятливе «середовище проживання» може бути досягнутий, наприклад, модернізованою технологією із застосуванням полівіндротових обойм, що складаються з вертикально-осьових вітроколіс.
У системах більшої потужності такої технологічної еволюції замало, потрібні якісні зміни, перш за все в питаннях підйому і фіксації силового блоку на висоті сильних вітрів. Для результативного синтезу повітроплавання і вітрогенерації належить відкоригувати обидві об’єднувані технології.
Апарати легші за повітря створювалися і продовжують удосконалюватися в транспортних цілях для переміщення в атмосфері надважких неподільних вантажів. Для цього корпуси дирижаблів отримали оптимальну сигароподібну або близьку до неї форму, доповнену аеродинамічним поверхнями, що підсилюють підйомну силу повітряного судна. Найбільш обтічний профіль апарат має по осі симетрії, що збігається з курсом руху.
У свою чергу аеростат, що нерухомо висить в повітрі, а саме це нам перш за все потрібно для цілей аеровисотной вітроенергетики, повинен мати незмінно високу обтічність при будь-якій спрямованості атмосферних потоків. В такому випадку аеростатній оболонці доцільно надати форму двоопуклої лінзи, а ще краще – плоско-опуклої лінзи, зверненої площиною до землі. Це створює додаткову підйомну силу аеродинамічної природи.
Представлена тут бі-аеростатна схема побудови підйомно-фіксуючого блоку з двох оболонок (патент RU 2 535 427) є вимушеною мірою і спрямованою на скорочення горизонтальних габаритів конструкції. Основна частина газонаповнювального об’єму, 75-80 відсотків або близько цього, припадає на верхню двоопуклу оболонку, яка поєднує в собі велику частину сумарної аеростатичної плавучості, компактність і аеродинамічну обтічність. Обсяг гелію, що лишився заповнює нижню плоско-опуклу оболонку, завдяки якій чим більша швидкість вітру, тим значніша аеродинамічна підйомна сила, відпвідно, тим успішніше вирішується проблема геостаціонарної і просторової орієнтації силового блоку – строго вертикального положення осі обертання ортогональної турбіни.
У пристрої застосовані наземні лебідки, що діють узгоджено з єдиною керуючою комп’ютерною програмою, що додатково вирівнює вітросиловий блок і гарантує оптимальне розташування його вертикальної осі симетрії під прямим кутоми відносно вітру.
Цим же фактором – мінливою спрямованістю вітрів, обумовлений вибір класу вітряної турбіни. Такою єдиною є ортогональне вітроколесо вертикально-осьового обертання з ортогональними лопатями крилоподібного профілю, які не потребують орієнтації на вітер. Було б безглуздо ставити на великій висоті гвинтову турбіну з її незмінними атрибутами: опорною колоною або рамою, поворотним вузлом, механізмом примусового розвороту.
Оцінка
Найчастіше, коли люди чують про повітроплавання, дирижаблі і аеростати, у них виникають стійкі уявлення про щось незграбно величезне, незграбне і архаїчне. Роглянемо ці стеоретипи у випадку з аеростатним вітрогенератором (АсВГ).
З таблиці бачимо, що аеростатний вітрогенератор має розміри такі ж, як і сучасні вантажно-пасажирські авіалайнери і дирижаблі, навіть поступається їм. Генератор Vestas потужністю 1,65 МВт має гвинт діаметром 66 метрів, компанія Siemens, виготовивши гвинтові лопаті завдовжки 75 метрів, перевершила всіх конкурентів, але призупинила цю справу через невизначеність попиту. Отже в цьому сенсі немає ніяких причин відкидати синтез повітроплавання і вітрогенерації.
Залишається відкритим питання про економічну доцільність аеровисотної вітроенергетики, на яке ми відповімо далі.
Вартість вітросилових блоків буд незмінною як для систем наземного базування, так і для конструкцій висотного розміщення з АсВГ, тому цей фактор з подальших обрахунків виключається.
При підйомі турбінно-генераторних вузлів середньої потужності за допомогою споруди колон заввишки близько 100 метрів у внутрішньо-континентальних атмосферних умовах вартість будівництва коливається в значних межах залежно від вимог до фундаменту і за найскромнішими оцінками становить в середньому близько 4500-6100 грв. /кВт.
Вартість підйому вітросилового блоку великої потужності із застосуванням аеростатів в зв’язку з потребами в великих обсягах легкого газового наповнювача оболонок буде в основному ліміитуватися ціною гелію. наразі ціна гелію на світовому ринку коливається в широких межах: 2-6 USD/м. куб. , при чому коливання ці носять спекулятивний характер і диктуються монополістом – США, який в своїх інтересах стримує обсяги виробництва. Виходячи з цих базових даних вважатимемо, що реальною ціною гелію на внутрішньому ринку при відсутності зовнішнього попиту, що на щастя відрізняє його від вуглеводнів, може бути 45 грв. / м. куб. зробимо зведення наведених даних.
Примітка *Зроблено припущення, що через кожні 100 метрів висоти опорної колони вартість споруди буде зростати вдвічі.
Важливо відзначити, що відшкодування витоків гелію з аеростатних оболонок, виконаних на основі застосування сучасних матеріалів, слід здійснювати не частіше ніж один раз на кілька років, в найгіршому випадку – кожні шість місяців.
Доречно згадати, що в наведених відомостях з вищезгаданих причин немає даних про вартість фундаментів, а при будь-яких ґрунтах ці дані будуть не на користь систем наземного базування.
Візьмемо для цінового порівняння найсвіжіший приклад: дані про будівництво новітнього вітропарку Dominica I в Мексиці. Спорудження кожної з п’ятдесяти веж з генераторами 2 МВт-ої потужності запотребувало інвестицій в розмірі 3,92 млн. USD, з яких за оцінками експертів близько половини суми витрачено на опорну конструкцію силового блоку. При вирішенні цього ж завдання з висотного підйому за допомогою АсВГ-1000, капіталовкладення скоротилися б в п’ять разів. Тут помилка в ціновому прогнозі не може бути настільки значною, щоб зміниити переваги на користь аеровисотной вітроенергетики.
Слід зауважити, що Мексика посідає п’яте місце серед нафтовидобувних країн світу і друге в західній півкулі. Поруч з цим, держава вкладається серйозно фінансово в вітрогенерацію, демонструючи далекоглядне прагнення до розширення номенклатури реально використовуваних енергетичних джерел, пом’якшуючи цим самим залежність економіки від світових цін на вуглеводні. Восени 2014 року така політика дала свої результати і з витратної статті вітроіндустрія перетворилася в життєво необхідну галузь.
Чи завжди потрібні великі потужності?
Житлово-комунальні потреби малих поселень України в потужностях мають такий вигляд: 15000 населених пунктів потребують потужностях 200 і менше кВт
У такий спосіб не завжди доречним і виправданим є безоглядна гонитва за надлишковими потужностями, що генеруються від ВЕУ. Тим більше, що в світовій практиці частка ВЕУ потужністю менше 150 кВт становить 64% від загального числа реально діючих установок.
Цей факт змушує нас зробити крок назад і розглянути аеровисотну вітроенергетику в форматі найбільш затребуваних середніх потужностей. Для підйому такого генератора за розглянутою вище схемою АсВГ в зону швидкісних 30 м./с. вітрів над континентальними територіями потрібна тільки одна плоско-опукла оболонка з наступними габаритами:
Одночасно розглянемо можливості скоротити обсяги гелію, що відіграє особливу роль в питанні про ціну будівництва та експлуатації аеростатного вітрогенератора.
Доставка силового блоку на задану 300 і більше метрів висоту вимагає позитивної плавучості аеростатної оболонки, для чого вистачає незначного перевищення обсягу легкого газу над масою обладнання, що піднімається, включаючи вагу турбінно-генераторного вузла, всіх його гнучких зв’язків з землею і електрокабеля. Умова функціонування геостаціонарних АсВГ зобов’язує забезпечити сильний натяг тросів, що збільшує витрату гелію щонайменше на 20-30, а можливо і більше відсотків. Ліквідувати цю перевитрату призначений аероплавальний віндротор (АПВ). Він же зменшує прогин і нерівномірну розтяжку причальних тросів, робить непотрібним комп’ютерне управління наземними лебідками.
Відмінною особливістю пристрою від попередника (патент RU 2 535 427) є прив’язка АПВ до причальної тумби особливої конструкції з поворотним вузлом, що дозволяє силовому блоку, піднятоиу на задану висоту, поєднувати в собі якості аеростата і планера, вільно описувати під впливом вітру, що змінює напрямок кругові траєкторії щодо зафіксованої наземно центральної осі обертального руху. Причальна тумба і силовий блок пов’язані щонайменше трьома тросами, один з яких є трос-кабелем або звичайним тросом з підвішеним електричним кабелем. При необхідності спуску силового блоку до землі, вільні троси від’єднуються від причальної тумби і підключаються до барабану наземної лебідки, що завчасно переміщається під лінію гнучких зв’язків.
Будь-яка з розглянутих систем аеровисотної вітроенергетики роблять максимально доступними обслуговування і ремонт силових та підйомних елементів конструкції, які легко опускаються до землі, повністю виключають залежність ВЕУ від спеціальних вантажопідіймальних кранів і вертолітної техніки. Їх ексклюзивно якістю є мобільність – безперешкодне переміщення на необмежені відстані з однієї точки прив’язки в іншу.
У стартовій позиції прогнозовані витрати в частині основних витрат на висотне базування вітросилових блоків в остаточній ціні проектів матиме наступні розрахунки:
Loading ...