По принципу реактивного двигателя
- 17 мая 2013
- administrator
Иркутские учёные разработали принципиально новую ветросолнечную установку
Малошумная ветросолнечная установка мощностью 65 МВт, способная выдерживать шквалистый ветер и ураган. Звучит фантастически, но не для учёных из Иркутска, разработавших новую концепцию для ветроэнергетики, в основе которой лежит принцип работы воздушно-реактивного двигателя. Аэродинамическую турбину уже испытывали в ЦНИИ имени А.Н. Крылова и тестировали на побережье Байкала, доказав её работоспособность и преимущества перед традиционными трёхлопастными ветряками.«Всем известно, что Россия – мировой лидер по запасам нефти и газа, но мало кто знает, что наша страна ещё мировой лидер по запасам энергии вет-ра» – с этой фразы начинается наш разговор с техническим директором ЗАО «Аэроэнерготех» Юрием Криулиным. Действительно, на конференции в 2010 году заместитель генерального директора Института энергетической стратегии Павел Безруких говорил о том, что при использовании существующих современных технологий выработка ветряков может превышать 6,5 трлн. кВт-ч, если ими будет занято 2% территории государства. Для сравнения: все электростанции Единой энергосистемы России в 2012 году выработали 1,053 трлн. кВт-ч. Впрочем, экономичес-кий ресурс ветрогенераторов эксперты оценивают гораздо скромнее – 32,6 млрд. кВт-ч. Потенциальная мощность таких установок, по расчётам Мировой ассоциации ветроэнергетики, может достигать 90 ГВт. При этом возможности Казахстана оцениваются в 350 ГВт. Но даже в том случае, если мы уступаем пальму первенства юго-восточному соседу, задел под развитие ветроэнергетики поистине огромен: к Единой энергетической системе России подключены станции общей мощностью немногим более 10 МВт.
Технологический потолок трёх лопастей
«Мы посмотрели, что мешает развитию этого потенциала, – продолжает Юрий Валентинович. – Первое – это зависимость от природных факторов, в первую очередь необходимость ориентации установок на ветер. Второе – 90% всех ветроустановок в мире выполнены по традиционной трёхлопастной схеме, известной более двух тысяч лет ещё по ветряным мельницам». Невзирая на то что за это время изменились материалы и конструкция лопастей, сам аэродинамический принцип ветряка остался прежним, в его основе лежит максимально возможное лобовое восприятие воздушного потока.
Это порождает определённые технические и конструктивные ограничения. Например, размах лопастей крупнейшего на сегодняшний день немецкого ветрогенератора Enercon E-126 составляет 128 м. Не нужно быть специалистом в аэродинамике, чтобы понять, что на каждую его лопасть приходится огромная нагрузка, выдержать которую могут лишь недешёвые композитные материалы. Отсюда возникает ещё один недостаток существующих в настоящее время традиционных ветрогенераторов – их дороговизна. К тому же единичная мощность установок пока невелика – у того же «Энеркона» она составляет лишь 7,58 МВт.
Американская компания Clipper Windpower пыталась разработать генератор на 10 МВт, но в 2011 году была вынуждена приостановить работы из-за тяжёлого финансового состояния, усугублённого мировым экономическим кризисом. Однако для создания установки на 15 МВт объединились испанцы – предприятия Gamesa, ACCIONA Windpower, Iberdrola Renovable, Acciona Energia, Tecnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros и DigSILENT Iberica. В проекте, в рамках которого разрабатывается офшорный, то есть предназначенный для размещения в море, генератор, также участвует Alstom Wind – подразделение концерна Alstom.
Это порождает определённые технические и конструктивные ограничения. Например, размах лопастей крупнейшего на сегодняшний день немецкого ветрогенератора Enercon E-126 составляет 128 м. Не нужно быть специалистом в аэродинамике, чтобы понять, что на каждую его лопасть приходится огромная нагрузка, выдержать которую могут лишь недешёвые композитные материалы. Отсюда возникает ещё один недостаток существующих в настоящее время традиционных ветрогенераторов – их дороговизна. К тому же единичная мощность установок пока невелика – у того же «Энеркона» она составляет лишь 7,58 МВт.
Американская компания Clipper Windpower пыталась разработать генератор на 10 МВт, но в 2011 году была вынуждена приостановить работы из-за тяжёлого финансового состояния, усугублённого мировым экономическим кризисом. Однако для создания установки на 15 МВт объединились испанцы – предприятия Gamesa, ACCIONA Windpower, Iberdrola Renovable, Acciona Energia, Tecnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros и DigSILENT Iberica. В проекте, в рамках которого разрабатывается офшорный, то есть предназначенный для размещения в море, генератор, также участвует Alstom Wind – подразделение концерна Alstom.
Всё-таки она вертится
Пока испанцы работают над новой установкой, выполненной по старой трёхлопастной схеме, учёные из Иркутска предложили кардинально иной подход. «Поскольку я заканчивал обучение на кафедре эксплуатации летательных аппаратов и авиадвигателей в Иркутском политехническом институте, мы с коллегами решили взять за основу принцип воздушно-реактивного двигателя, – объясняет наш собеседник. – Если точнее, то использовать одноступенчатую газовую турбину с лёгкими лопатками из пластика». Идея радикальна, ведь специалисты по ветроэнергетике отрицают саму возможность применения множества коротких лопаток вместо нескольких длинных лопастей.
Однако на практике она оказалась рабочей. Изначально аэродинамичес-кую турбину, которая действовала бы за счёт набегающего потока воздуха, специалисты из Иркутска разрабатывали для нужд автомобильного и железнодорожного транспорта. Подобные разработки, кстати, ведутся по всему миру: в декабре 2009 года, почти через два года после презентации иркутских учёных на Российской венчурной ярмарке, корпорация EarthSure Renewable Energy из США представила автомобиль будущего AirRay, приводимый в движение энергией от солнечных панелей и компактной ветряной турбины. Несмотря на то что американцы назвали свою разработку «абсолютно уникальной», Всемирная организация интеллектуальной собственности (ВОИС, Женева) ещё в октябре 2009-го рекомендовала технологию из Иркутска к оформлению патентов по системе РСТ, действие которой распространяется на 170 стран. Евразийская патентная организация (Москва), в свою очередь, выдала патент, действие которого распространяется на территории России, Казахстана, Белоруссии, Азербайджана и других стран бывшего СНГ. Положительное решение приняло и Американское патентное ведомство. «Жизнь показала, что подобное направление использования авиационных технологий на транспорте интересно, – констатирует Криулин. – Но один из наших партнёров предложил разработать менее сложную и более востребованную на рынке установку для альтернативной энергетики».
И это не просто теория – все расчёты подтверждают демонстрационные испытания. Для начала в качестве испытательного стенда использовали систему вентиляции Иркутского завода тяжёлого машиностроения – первую установку с турбиной диаметром 1 м собрали именно на этом предприятии, работы спонсировала финансовая группа «Активный капитал». Аэродинамическая турбина показала низкую скорость страгивания. В марте 2012 года ту же установку смонтировали на побережье Байкала вблизи Большого Голоустного. При порывистом разнонаправленном ветре, средняя скорость которого составила 1,8 м/с, она работала стабильно. В это не веришь, пока не посмотришь на официальном сайте «Аэроэнерготеха» видеоматериал с натурных испытаний: отчётливо видно, как рабочее колесо раскручивается до внушительной скорости. При этом ощутимого шума, который сопровождает работу традиционных ветряков, не слышно – турбина находится в закрытом шумопоглощающем корпусе.
Ещё одну турбину, собранную в Иркутске, в 2011 году испытывали в большой аэродинамической трубе Центрального научно-исследовательского института имени А.Н. Крылова. Выяснилось,что компактная установка – диаметр рабочего колеса с 64 лопатками составлял всего 40 см – развивает гораздо больший крутящий момент, чем традиционный лопастной ветряк аналогичного размера. По остальным характеристикам она тоже оказалась лучше имеющихся аналогов. Интерес к развитию нового направления альтернативной энергетики проявили в технопарке Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета, где планируют организовать научно-исследовательские работы.
В то же время им заинтересовались в «Сколково» – представители фонда запросили материалы по разработанной технологии ветросолнечной установки. В течение шести месяцев экспертная коллегия инновационного центра изучала изобретение и в итоге присвоила разработанной технологии статус резидента «Сколково». Интерес к разработке из Иркутска проявили и специалисты отдела промышленной аэродинамики Московского комплекса Центрального аэрогидродинамического института имени Н.Е. Жуковского.
«В ЦАГИ выразили не только поддержку, но и желание лично участвовать в организации работ и продвижении нашей технологии, которая уже в статусе резидента «Сколково» получила название «Ветросолнечная установка «AeroGreen», – резюмирует Юрий Криулин. – Целевой рынок инновационной ветросолнечной установки «AeroGreen» охватывает разных потребителей – от частных семей, монтирующих устройства в своём жилье, до предприятий, использующих в качестве механизма снижения себестоимости электричества альтернативные источники энергии. Но реально на сегодняшний день мы рассчитываем на мощностной диапазон от 1 до 10 киловатт – это наиболее востребованные на рынке решения для частных коттеджей и турбаз, особенно в труднодоступных районах». В то же время можно выпускать и более мощные генераторы по технологии «AeroGreen» для офшорных электростанций морского базирования, причём обходиться их строительство будет существенно дешевле, чем в случае с трёхлопастными ветряками – не нужно делать мощного фундамента, можно обойтись плавучей платформой по типу тех, что используются для добычи нефти. Дешевле будет и установка для размещения на земле. Соответственно, снизится и себестоимость киловатт-часа: если у обычных ветрогенераторов она составляет 8 евроцентов, то у ветроустановки иркутских учёных, по расчётам, она не превысит 4 евроцента.
Однако на практике она оказалась рабочей. Изначально аэродинамичес-кую турбину, которая действовала бы за счёт набегающего потока воздуха, специалисты из Иркутска разрабатывали для нужд автомобильного и железнодорожного транспорта. Подобные разработки, кстати, ведутся по всему миру: в декабре 2009 года, почти через два года после презентации иркутских учёных на Российской венчурной ярмарке, корпорация EarthSure Renewable Energy из США представила автомобиль будущего AirRay, приводимый в движение энергией от солнечных панелей и компактной ветряной турбины. Несмотря на то что американцы назвали свою разработку «абсолютно уникальной», Всемирная организация интеллектуальной собственности (ВОИС, Женева) ещё в октябре 2009-го рекомендовала технологию из Иркутска к оформлению патентов по системе РСТ, действие которой распространяется на 170 стран. Евразийская патентная организация (Москва), в свою очередь, выдала патент, действие которого распространяется на территории России, Казахстана, Белоруссии, Азербайджана и других стран бывшего СНГ. Положительное решение приняло и Американское патентное ведомство. «Жизнь показала, что подобное направление использования авиационных технологий на транспорте интересно, – констатирует Криулин. – Но один из наших партнёров предложил разработать менее сложную и более востребованную на рынке установку для альтернативной энергетики».
Так и родилась идея ветросолнечной установки принципиально новой аэродинамической схемы. Конструкция состоит из корпуса переменного сечения с похожим на шляпку гриба обтекателем (в будущем на него планируется устанавливать гибкие солнечные панели), внутри которого и находится турбина, подключённая к генератору. Её рабочие колёса изготовлены из лёгкого пластика, причём в качестве материала могут быть использованы даже переработанные полимерные отходы. Попадающий на них воздух разгоняется по классической схеме организации воздушного потока – сначала ветер попадает в установку и устремляется вверх за счёт разрежения в обтекателе, а затем проходит через конфузорные и диффузорные каналы. В результате работать генератор может в более широком диапазоне ветровой нагрузки – вращаться турбина начинает при скорости ветра 1 м/с, а на 2 м/с выходит на устойчивый набор крутящего момента и выработку электроэнергии. Для сравнения: трёхлопастной ветряк начинает работать со скорости 2-3 м/с, а «потолок» для него – 15–20 м/с, т.к. при более сильном ветре можно попросту сломать лопасти. Инновационный ветрогенератор, который разработали иркутские учёные, может устойчиво функционировать при скорости 30 м/с и выше, ведь воздушный поток не оказывает столь сильного лобового воздействия на его конструкцию.
И это не просто теория – все расчёты подтверждают демонстрационные испытания. Для начала в качестве испытательного стенда использовали систему вентиляции Иркутского завода тяжёлого машиностроения – первую установку с турбиной диаметром 1 м собрали именно на этом предприятии, работы спонсировала финансовая группа «Активный капитал». Аэродинамическая турбина показала низкую скорость страгивания. В марте 2012 года ту же установку смонтировали на побережье Байкала вблизи Большого Голоустного. При порывистом разнонаправленном ветре, средняя скорость которого составила 1,8 м/с, она работала стабильно. В это не веришь, пока не посмотришь на официальном сайте «Аэроэнерготеха» видеоматериал с натурных испытаний: отчётливо видно, как рабочее колесо раскручивается до внушительной скорости. При этом ощутимого шума, который сопровождает работу традиционных ветряков, не слышно – турбина находится в закрытом шумопоглощающем корпусе.
Ещё одну турбину, собранную в Иркутске, в 2011 году испытывали в большой аэродинамической трубе Центрального научно-исследовательского института имени А.Н. Крылова. Выяснилось,что компактная установка – диаметр рабочего колеса с 64 лопатками составлял всего 40 см – развивает гораздо больший крутящий момент, чем традиционный лопастной ветряк аналогичного размера. По остальным характеристикам она тоже оказалась лучше имеющихся аналогов. Интерес к развитию нового направления альтернативной энергетики проявили в технопарке Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета, где планируют организовать научно-исследовательские работы.
«Сколково» ищет таланты
В то же время им заинтересовались в «Сколково» – представители фонда запросили материалы по разработанной технологии ветросолнечной установки. В течение шести месяцев экспертная коллегия инновационного центра изучала изобретение и в итоге присвоила разработанной технологии статус резидента «Сколково». Интерес к разработке из Иркутска проявили и специалисты отдела промышленной аэродинамики Московского комплекса Центрального аэрогидродинамического института имени Н.Е. Жуковского.
«В ЦАГИ выразили не только поддержку, но и желание лично участвовать в организации работ и продвижении нашей технологии, которая уже в статусе резидента «Сколково» получила название «Ветросолнечная установка «AeroGreen», – резюмирует Юрий Криулин. – Целевой рынок инновационной ветросолнечной установки «AeroGreen» охватывает разных потребителей – от частных семей, монтирующих устройства в своём жилье, до предприятий, использующих в качестве механизма снижения себестоимости электричества альтернативные источники энергии. Но реально на сегодняшний день мы рассчитываем на мощностной диапазон от 1 до 10 киловатт – это наиболее востребованные на рынке решения для частных коттеджей и турбаз, особенно в труднодоступных районах». В то же время можно выпускать и более мощные генераторы по технологии «AeroGreen» для офшорных электростанций морского базирования, причём обходиться их строительство будет существенно дешевле, чем в случае с трёхлопастными ветряками – не нужно делать мощного фундамента, можно обойтись плавучей платформой по типу тех, что используются для добычи нефти. Дешевле будет и установка для размещения на земле. Соответственно, снизится и себестоимость киловатт-часа: если у обычных ветрогенераторов она составляет 8 евроцентов, то у ветроустановки иркутских учёных, по расчётам, она не превысит 4 евроцента.
«Но пока всё упирается в деньги и в стратегического профильного партнёра, – заканчивает беседу Юрий Валентинович. – Я слышал такое высказывание со стороны руководства Российской венчурной компании: «Нет идей, нет разработок!» Да разработок более чем предостаточно! Зарубежные компании уже сделали нам несколько предложений по сотрудничеству – ведём с ними переговоры, и вот они ставят нас в тупик одним вопросом: «Ваша разработка актуальна и интересна, но почему в вашей стране на её развитие не дают денег?» Мы объяснить этот парадокс не можем».
Егор Щербаков