тенденции развития ветроэнергетики и

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 20202030 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
государством
в области ветроэнергетики является ведущим
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 АВЭ250С 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 ТГ750 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 – турбогенераторная
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
ВосточноКрымская
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.
ТГ-750 имеет следующие технические характеристики:
Основные:
-номинальная мощность, кВт
750
-диаметр ротора, м
54
-высота оси ротора, м
38/ 60
Ротор:
-количество лопастей, шт.
3
-частота вращения, об/мин
15…34
-диаметр, м
54,0
-регулирование мощности - поворот лопасти
-привод поворота лопасти - гидросистема
-конусность
5º
-наклон оси ротора
5º
Скорость ветра, м/с:
-начальная (стартовая)
3,5
-номинальная
11,5
-предельная (буревая)
65,0
Турбогенераторы:
-мощность, кВт
250
-количество, шт.
3
-количество лопастей, шт.
4
-диаметр расположения турбин, м 26,2
-диаметр турбины, м
4,4
-частота вращения, об/мин
600
-тип генератора
– индукторный синхронный
-напряжение, В
400
-частота вращения, об/мин
600
Вес, т:
-общий вес
59,3/74,3
-гондолы с ротором
29,3
-башни
30,0/ 45,0
Зависимости мощности и годовой выработки электроэнергии от
скорости ветра приведены на рис.2 и 3 соответственно.
800
700
N,кВт
600
500
400
300
200
100
V, м/с
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Рисунок 2. - Зависимость мощности от скорости ветра на высоте оси
ротора.
5
4,5
4
Q,
млн.кВт.час
3,5
h = 60 м
3
2,5
h = 38 м
2
V, м/с
1,5
1
4
5
6
7
8
9
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.
Выводы
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 ТГ750 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.