Как слезть с нефтяной иглы?
Ощутив удары первых нефтяных кризисов в 70-х годах, Америка и Европа всерьез озаботились развитием альтернативных источников энергии. Именно тогда начались разработка и строительство ветроэнергетических установок. Запад пошел по пути создания больших агрегатов, мощностью от 500 кВт и выше, работающих на единую энергетическую сеть государства. Кстати, такие агрегаты можно нередко увидеть в эпизодах зарубежных фильмов: обширные поля ветряков, построенных посреди пустынной местности. Безлюдье, ветер и безостановочное вращение лопастей.
Гораздо меньше внимания и американцы и европейцы уделяли небольшим машинам автономного класса, предназначенным для энергообеспечения отдельных жилищ и объектов. Так на рынке образовалась ниша, которую сегодня успешно занимают российские производители.
Специальное конструкторское бюро "АТИК" ("Авиационные технологии и композиты") занимается проектированием и строительством ветроэнергетических машин более десяти лет. Именно здесь была разработана уникальная машина, аналогов которой в мире сегодня нет. Двухлопастная ветроустановка ВЭУ-2000 создана на основе высоких технологий обороной промышленности и содержит набор оригинальных технических решений, которые и обеспечили ей значительный отрыв от конкурентов. Но прежде чем рассказать о ней подробнее, поговорим о другом.
Проблемы реальные и мнимые
Как ни странно, в свое время проекты развития ветроэнергетики имели немало противников. Они указывали на шум, необходимость отчуждения значительных территорий, возможный ущерб экологии. Наконец - на ненадежность, непостоянство энергоснабжения, напрямую зависящего от капризов погоды.
Попробуем последовательно в этом разобраться.
Дмитрий ВОЛОСОВ, главный инженер ЗАО СКБ "АТИК":
- Первый и самый очевидный вопрос: что делать, если ветра нет? В самом деле, ветер - структура переменчивая. Но только на первый взгляд. Потому что эта структура описывается четкими математическими законами для каждого данного участка земной территории. И во всех регионах Земли подобные исследования давно проведены метеослужбами. Существуют такие параметры, как среднегодовая скорость ветра, распределение ветров по месяцам. Они сведены в кадастры ветров, с которыми потенциальный потребитель может ознакомиться на ближайшей метеостанции. Зная эти параметры, почти всегда можно создать энергокомплекс, обеспечивающий полностью бесперебойное питание в течение всего года. Разумеется, в идеале кроме аккумуляторов комплекс следует дополнить солнечными батареями: мы исходим из того, что он должен обеспечивать энергоснабжение в течение двухсуточного штиля. Но сомневаться, что ветроуста новка способна надежно снабжать дом электричеством, не приходится.
Это возможно при обязательном соблюдении некоторых условий. Важнейшее из них - конкретная привязка к местности. Нужно оценить ветровой потенциал, класс открытости местности, есть ли поблизости ветрозатеняющие объекты, на каком расстоянии они находятся, наличие водных пространств. О чем идет речь? Если рядом протекает река, ветер, как правило, дует вдоль русла. Если большое озеро или море - главенствующие ветры дуют перпендикулярно береговой линии. Но это еще не все. При выборе места размещения установки нужно учитывать особенности огибания местности ветром. Поднимается ветер, и воздушный поток начинает закручиваться на складках рельефа. Как ни странно, даже в самой открытой ветрам местности всегда можно найти такую точку, где ветра вообще почти не будет - этакую "тень". Нужно точно отыскать наилучшее место для установки мачты, выбрать ее высоту. От этого зависит количество энергии, которую получит потребитель. Наши специалисты вполне успешно решают подобные проблемы.
Второе распространенное предубеждение - шум. Да, шум работе ветряков сопутствует. Но все исследования по шумам проводились для очень больших ветрокомплексов мегаваттных мощностей. Они действительно являются источником колебаний в инфразвуковом диапазоне, создают нагрузку на почву, влияют на экологию, затрудняя миграцию насекомых и птиц.
Маленькие машины шумят совсем на других частотах. Мы много раз пытались специальной аппаратурой замерить уровень шума нашей установки - и ничего не получалось. Потому что естественный, фоновый шум ветра ее перекрывал. Нужно сказать, что ни от кого от наших клиентов жалоб на шум мы ни разу не слышали.
Третье - надежность и долговечность. Люди спрашивают: как и кто будет обслуживать? Но ветроустановка - это не автомобиль. Она собрана, обкатана, все поверхности вращения прошли специальную обработку по технологии, которая до сих пор применялась в основном в оборонном комплексе. Специальная металлокерамическая пленка покрывает трущиеся поверхности, снижая трение до чрезвычайно малых значений. Точно так же обрабатываются подшипники установки. Поэтому никакого обслуживания, как ни странно, вообще не требуется. Смонтировали, ввели в эксплуатацию, и система начинает работать без человеческого участия. Единственное, за чем нужно следить, это натяжение тросов, крепящих мачту ветряка. Под действием температур их длина меняется. Значит, летом нужно подтянуть, зимой - отпустить. Ничего сложного тут нет.
Назначенный гарантированный изготовителем ресурс бесперебойной работы нашей установки 40 тысяч часов - десять лет эксплуатации, хотя мы рассчитываем, что на самом деле срок работы гораздо выше.
О гарантийном и послегарантийном обслуживании все же следует сказать подробнее. Часто случается, что, если какой-либо товар приобретается через посредников, потребителю приходится довольно долго ждать поставки запасных частей, прибытия специалиста и так далее. У нас ситуация простая. Поскольку претензий к качеству очень мало (те, что возникают, связаны с ошибками при самостоятельном монтаже), мы имеем возможность оперативно выезжать в любую точку страны для исправления недостатков. Но лучше всего, когда наши специалисты монтируют установку сами. Тогда и ездить больше не приходится.
Где стоять ветрякам?
Когда специалисты СКБ "АТИК" начинали свои разработки, предполагалось, что ветроустановки прежде всего будут снабжать энергией навигационные, метеорологические, радиорелей ные и другие автономные станции, расположенные в удаленных от населенных пунктов районах. Но очень скоро стали поступать заказы от руководителей территорий, озабоченных проблемами своих избирателей. В Салехарде, например, недавно закупили две установки для снабжения электричеством удаленных поселков. А еще через какое-то время клиентами СКБ начали становиться частные граждане, и количество таких заказов постоянно увеличивается.
Несколько лет назад на окраине Новосибирска людям выделили участки для индивидуальной застройки. Вырос поселок, однако разрешение на подключение электричества и водопровода застройщикам не дали до сих пор. То ли по причине изношенности оборудования, то ли по какой-то иной. Жители вынуждены были искать выход самостоятельно. Большинство установили дизельные генераторы. Но какими бы современными они ни были, недостатки все равно очевидны - шум, выхлоп, да и топливо все дорожает. О надежности при непрерывной работе тоже говорить приходится с большой осторожностью. Один из жителей обратился в СКБ "АТИК". Специалисты смонтировали на его участке ветроустановку. Произошло это два года назад, и за прошедшее время никаких претензий от потребителя не поступало.
Разумеется, разместить ветрогенератор можно не на всяком участке. Отчуждаемая площадь составляет 70 м2 и дачных 6-ти соток тут маловато. То есть цветы вокруг мачты сажать, конечно, получится, а деревья уже нет. Но и для таких случаев существуют приемлемые технические решения. Смонтировать установку можно непосредственно на крыше, хотя подобную схему нужно предусмотреть заранее. Генератор крепится на специальной стальной ферме, которая является элементом конструкции строения. Кстати, дальновидные клиенты сейчас так и поступают, ставя соответствующую задачу архитекторам своих домов.
Заказчик из Башкирии пожелал обеспечить независимым энергоснабжением охотничий домик. ВЭУ-2000, смонтированная в комплексе с солнечными панелями, эту независимость дала. А вскоре заказчик вновь обратился к изготовителю, попросив сделать то же самое на его даче, которую он строит на Рублевском шоссе.
Поймать малый ветер
Ураганы, подобные тропическим, в нашей стране, к счастью, случаются крайне редко. Повторяемость малых ветров на большей части территории России гораздо выше, чем больших. Поэтому задачей специалистов СКБ стало создание такого агрегата, который смог бы максимально использовать малые ветра. Подобрать их! И отдать потребителю.
Основа любой ветроустановки - ее "крылья", ветряк. От того, с какой скорости ветра он начнет раскручиваться, зависит все остальное. На ветрополигоне под Истрой установлен ветрогенератор одной из ведущих в этой области американских фирм-производителей. Хорошая машина, надежная, ничего не скажешь. Но не работает она на малых подмосковных ветрах! Не для тех условий проектировалась! Хотя в паспорте и записано, что выработка энергии начинается при ветре 3 метра в секунду, реально это происходит только с 5 м/с. Почему? Да потому, что лопасти ветряка закреплены жестко, угол атаки не меняется, не позволяя уловить малый ветер. Соответственно и суммарная выработка энергии ниже.
Генератор СКБ "АТИК" запускается при скорости ветра всего 2,5 м/с, а с 3 м/с энергия уже поступает в сеть. Чтобы добиться такого результата, был разработан и создан оригинальный центробежно-аэродинамический регулятор. Пока ветра нет, лопасти развернуты в положение максимального пускового режима. Чтобы, образно говоря, они могли начать движение от дуновения крыльев бабочки. Как только ротор тронется с места и начнет раскручиваться, регулятор устанавливает лопасти под рабочими углами. В этот момент происходит резкое увеличение скорости вращения и начинается отдача энергии. А когда сила ветра достигает штормовых величин, регулятор переводит лопасти в отрицательные углы, обеспечивая торможение.
Вообще, своим ветрогенератором конструкторы гордятся неслучайно. Это ноу-хау предприятия, аналогов которому у конкурентов нет. Он весь, целиком - корпус, обтекатель винта и лопасти - изготовлен из композиционного материала - стеклоуглепластика. При малой массе - высокая прочность и износоустойчивость. Материал обладает повышенным ресурсом, у него нет усталостных разрушений. Успех закономерен, поскольку в создании установки принимали участие выдающиеся отечественные специалисты, такие, как один из старейших российских ветротехников И. А. Бабинцев и главный специалист по прочности КБ "Туполев" И. Б. Гинко, ближайший соратник и друг А. Н. Туполева.
Следующая оригинальная составляющая установки - электронный блок управления. Он следит за тем, чтобы система не испытывала перегрузок, обеспечивает подзарядку аккумуляторных батарей, переключение на режим использования солнечных батарей, направляет излишки электроэнергии в теплоэлектронагреватель для накопления тепла. Вообще, этот блок позволяет собрать установку, равно приспособленную для использования любых доступных потребителю источников энергии: как ветрогенератора, солнечных батарей, так и дизельного генератора и централизованного электроснабжения. Все зависит только от желания потребителя.
И тут мы подходим еще к одному важному моменту.
На что хватает энергии?
Клиенты СКБ "АТИК" достаточно часто задают вопрос: а нет ли ветроустановки мощнее, чем 2 кВт? "А зачем?" - спрашивают разработчики. Покупатель начинает перечислять, какие приборы он собирается использовать в загородном доме жилой площадью, например, 200-300 м2. Тогда изготовители садятся вместе с клиентом и считают.
На освещение потребуется 10-15 ламп. Естественно, нужно использовать современные, энергосберегающие, по 10-11 ватт. Далее: холодильник, телевизор, компьютер, аудиоцентр, насос для подачи воды и циркуляционный насос для системы отопления. Суммируем. Оказывается, что потребности в энергии полностью покрываются. Изготовители объясняют: "Мы продаем пользователям не абстрактную мощность установки, а конкретную возможность получать гарантированное количество электроэнергии. Установка может заявляться и как 5-киловаттная, а энергии достаточно не даст. Потому что не умеет подбирать малые ветра".
А в паспорте ВЭУ-2000 записано: при такой-то среднегодовой скорости ветра потребитель получает не менее 2100 кВт·ч в год. Это примерно 180 кВт·ч в месяц. То есть даже в потенциально неблагоприятном ветровом районе, каким является Подмосковье, где не бывает тайфунов с женскими именами, обеспечивается уровень потребления не менее чем в просторной московской квартире. При условии, конечно, что у вас нет электроплиты и полов с подогревом. Подчеркнем, что это лишь минимальный гарантируемый уровень.
Собственно, возможность даже в Подмосковье жить в условиях автономного снабжения с помощью комплекса ВЭУ-2000 давно доказана практически.
Надо сказать, что поначалу у специалистов СКБ "АТИК" было намерение пойти по пути готовых технических решений: приобрести импортное оборудование и приспособить к своей ветроустановке. Однако расчеты показали: дорого. К тому же не всегда конструктивно удачно и применимо в условиях России. Поэтому, чтобы сделать надежную, дешевую энергоустановку, которую можно серийно производить для конкретного потребителя, пришлось самостоятельно разрабатывать весь ветроагрегат, включая собственные генератор и электронику. Так и родилась эта машина. Сравнение с американской установкой того же класса на Истринском полигоне показало, что собственные технические решения позволили поднять реальную выработку энергии в полтора-два раза. При этом российская установка весит почти вдвое меньше.
Сегодня создатели энергоустановки работают только с отечественными производителями. Она вся - продукт российского производства и российских технологий, что позволило выйти на новый уровень не только технических решений, но и качества. Оборонный комплекс страны до сих пор по многим позициям не имеет в мире конкурентов.
Установку весьма высоко оценили специалисты за рубежом. Среди клиентов СКБ "АТИК" европейские страны, Мексика, США, ЮАР. Кстати, в Мехико, куда была поставлена одна из машин, ей нашли оригинальное применение. Страхуясь от обвальных отключений электричества, подобных нью-йоркскому и московскому, ВЭУ-2000 разместили на крыше небоскреба, чтобы обеспечить аварийное электроснабжение высотных лифтов.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Схема ветроустановки: 1 - ветроагрегат; 2 - блок электропитания; 3 - выпрямительно-коммутационная коробка; 4 - разборная вышка; 5 - фундаментные узлы; 6 - растяжки; 7 - солнечная батарея; 8 - аккумуляторные батареи; 9 - теплоэлектронагреватель; 10 - инвертор.
Илл. 2. Ветроэнергетическая установка ВЭУ-2000, разработанная инженерами СКБ "АТИК" на основе собственных технических решений и технологий, сегодня не имеет в мире конкурентов. Она способна бесперебойно снабжать электроэнергией фермы и загородные коттеджи, навигационные и метеорологические станции.
