Ретроспектива и перспектива вертикально-осевой ветроэнергетики
Е.Р. Абрамовский
Рассмотрены основные работы украинских предприятий по теоретическим и экспериментальным исследованиям и созданию натурных образцов вертикальноосевых ветроустановок с ротором Дарье.
Ключевые слова: вертикально-осевая ветроустановка, ротор Дарье, аэродинамика ветродвигателей, автономная ветроустановка, сетевая ветроустановка.
Розглянуто основні роботи українських підприємств з теоретичних і експериментальних досліджень та створення натурних зразків вертикально-осьових вітроустановок з ротором Дар'є.
Ключові слова: вертикально-осьова вітроустановка, ротор Дар'є, аеродинаміка вітродвигунів, автономна вітроустановка, приєднана до мережі вітроустановка.
The basic works of the Ukrainian enterprises in the field of theoretical and experiment-tal research and on creation of natural samples Darrieus vertical axis wind turbine are considered.
Keywords: vertical axis wind turbine, Darrieus rotor, aerodynamics of wind turbines, stand alone wind turbine, network wind turbine.
Введение. В конце 1980-х годов в Украине возникла новая отрасль науки и техники - ветроэнергетика. С самого начала развитие ветроэнергетики пошло по двум направлениям. Первое направление, заключающееся в разработке и производстве отечественных ветроустановок, было для Украины, обладающей высо- © Е. Р Абрамовский, И. Ю. Костюков, С. В. Тарасов, А. И. Яковлев, 2014
ким научным, техническим и производственным потенциалом, естественным путем развития новой техники. Основным принципом второго направления было изготовление на украинских предприятиях зарубежных лицензионных ветроу- становок. В 1993 году в Украине были построены первые ветровые электростанции с горизонтально-осевыми ветроустановками: Акташская ВЭС на базе отечественных ветроустановок КБ «Южное» АВЭ-250 мощностью 200 кВт и До- нузлавская ВЭС на базе лицензионных ветроустановок USW 56-100 американской фирмы «Kenetech Windpower» мощностью 100 кВт, производства ПО «Южный машиностроительный завод». Принятая в 1997 году Комплексная программа строительства ветровых электростанций отдала приоритет и государственное финансирование не украинским разработкам, а американским - лицензионной ветроустановке USW 56-100, которых за время действия программы было изготовлено чуть меньше 750 единиц. Однако американский ветроагрегат, разработанный в 1970-х годах, уступал по техническим характеристикам украинским - горизонтально-осевой ветроустановке АВЭ-250 и вертикально-осевой ветроустановке ЭСО-420, а его энергоотдача была значительно ниже отечественных ветро- агрегатов [3]. В результате производительность украинских ветровых станций с ветроагрегатами USW 56-100 оказалась в 4 раза ниже европейских показателей, а перспективные проекты отечественных ветроустановок, лишившись государственной поддержки, были закрыты.
Для завершения общего экскурса в историю развития ветроэнергетики в Украине необходимо сказать, что после введения в 2009 году «зеленого тарифа» в стране начался новый этап развития ветроэнергетики. В 2011 году в Украине были реализованы первые частные проекты промышленных ветровых электростанций, в основном, на базе немецких горизонтально-осевых ветроустано- вок «Fuhrlander» мощностью 2,5 МВт, производство которых в настоящее время налаживается на украинских предприятиях. Сегодня Украина занимает второе место в мире по темпам роста ветроэнергетики. Установленная мощность ветровых электростанций в 2011 году выросла на 73%, а в 2012 году - на 100% [4]. Однако ситуация с изготовлением на украинских предприятий лицензионных ве- троустановок «Fuhrlander» повторяет историю тиражирования уже устаревшей на момент приобретения лицензии американской ветроустановки USW 56-100. Тогда надежды первого заместителя генерального директора ПО «Южный машиностроительный завод» В. И. Сичевого на то, что при изготовлении лицензионных американских ветроустановок будет приобретен необходимый опыт отработки конструкции и технологии для создания собственных ветроагрегатов нового поколения, из-за серьезных недостатков установки USW 56-100, не оправдались [12]. Ведь ветроагрегат «Fuhrlander» на мировом рынке не пользуется спросом, а сама компания, по данным EWEA (Европейская Ветроэнергетическая Ассоциация), даже не входит в десятку крупных европейских изготовителей ветроустановок и продолжает снижать свои объемы в Германии [24].
Настоящая публикация является второй статьей исследования «Ретроспектива и перспектива вертикально-осевой ветроэнергетики», и на фоне общего развития ветроэнергетики в Украине на рубеже ХХ-ХХІ веков рассматривает историю отечественного вертикально-осевого направления, ее основные этапы и предприятия, которые внесли наиболее значимый вклад в создание принципиально новых вертикально-осевых ветроустановок. Авторы надеются, что в Украине, имеющей высокий научный, технический и производственный потенциал, еще будут создаваться ветроустановки мирового уровня, аналогично разработкам в авиации, ракетной технике, судостроении, турбостроении.
Постановка проблемы. Современная украинская ветроэнергетика идет по пути использования лицензионных зарубежных ветроустановок с дальнейшей организацией их производства на украинских предприятиях. С одной стороны, такой путь развития позволил в короткие сроки обеспечить высокие темпы роста ветроэнергетических мощностей в стране. С другой стороны, как показывает опыт американской лицензионной ветроустановки USW 56-100, зарубежные компании предлагают третьим странам для изготовления по лицензии конструкции, которые не пользуются спросом на мировом рынке. К таким конструкциям относится и выбранная для тиражирования предприятием «Ветряные парки Украины» ветроустановка «Fuhrlander». Уже через несколько лет эксплуатации ветроустановок, как и в случае с ветроустановкой USW 56-100, инвесторы столкнутся с необходимостью модернизации ветроустановки для повышения ее эффективности. Поэтому вероятнее всего, наиболее рациональным для развития ветроэнергетики является производство в Украине по лицензии наиболее совершенных ветроустановок, таких как Vestas или Enercon, мощностью свыше 4-5 МВт, что соответствует тенденциям мировой ветроэнергетики, строительство на их базе ветровых электростанций и, на основе полученного опыта отработки, производства и эксплуатации этой техники, разработка отечественных ветроустановок аналогичного технического уровня. Именно благодаря такому подходу, начав со сборки лицензионных датских ветроустановок, Испания превратилась из страны, импортирующей ветроэнергетическое оборудование, в одну из ведущих стран - производителей мегаваттных ветроустановок с такими крупными компаниями, как Acciona, Ecotenia, Gamesa, MTorres, ADES.
В свете изложенного опыт развития вертикально-осевой ветроэнергетики в Украине, от «нулевого» начального состояния до конструкций уровня лучших мировых аналогов, является актуальным вопросом истории техники, т.к. может быть весьма полезным при создании отечественных ветроустановок любых назначений и мощностей. Особенностью этих работ было отсутствие не только отечественного, но и мирового опыта разработки и эксплуатации крупных вертикально-осевых ветроустановок с ротором Дарье с прямыми лопастями.
Цель написания статьи. Целью настоящей публикации является отражение истории развития в Украине вертикально-осевого направления ветроэнергетики. Для достижения поставленной цели в статье рассматриваются следующие задачи: поиск и систематизация в хронологической последовательности историко-технических материалов по исследованиям, конструкторским разработкам и эксплуатации украинских вертикально-осевых ветроустановок, ретроспективный обзор и обобщение исторических научных и технических фактов развития вертикально-осевого направления ветроэнергетики в Украине, вклада украинских предприя-тий в создание первых отечественных вертикально-осевых ве- троустановок.
История вертикально-осевой ветроэнергетики в Украинской ССР.
Второе рождение запатентованного в 1931 году, а после невостребованного и забытого ротора Дарье произошло в 1960-х годах, когда сотрудники канадского NRC в поисках решения, альтернативного горизонтально-осевым ветроустанов- кам, обратили внимание на вертикально-осевой ротор, который работал по такому же принципу преобразования силы ветра в подъемную силу профилированной лопасти, но имел более простую конструкцию, т.к. не требовал ориентации на ветер и позволял размещать основное оборудование на фундаменте. Вопрос о роторе Дарье и новом вертикально-осевом направлении развития ветроэнергетики, как о возможной альтернативе традиционным горизонтально-осевым ветроу- становкам, приобрел особую актуальность, когда выяснилось, что его эффективность находится на уровне горизонтально-осевой схемы. В 1980-х годах, в рамках государственных программ, в Канаде и США проводились всесторонние исследования вертикально-осевой схемы и создавались первые опытные ветроуста- новки с ротором Дарье с криволинейными лопастями, а в Великобритании - с ротором Дарье с прямыми лопастями [13].
В Советском Союзе работы по созданию крупных отечественных ветро- установок начались с выходом Постановления Совета Министров СССР «Об ускорении развития ветроэнергетической техники в 1988 - 1995 годах». Московским ВПИ НИИ «Гидропроект» им. С. Я. Жука был проведен анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований вертикально-осевых ве- троустановок с различными модификациями ротора Дарье по канадской, американской и английской программам и для разработок, как наиболее перспективная, была выбрана схема ротора Дарье с прямыми лопастями. В январе 1989 года к работам ВПИ НИИ «Гидропроект» присоединилось КБ «Южное», Днепропетровск. В 1989 году КБ «Южное», уже как головной разработчик, выпустило техническое предложение и эскизный проект ветроустановки мегаваттно- го класса. В качестве ветровой турбины был применен ротор Дарье с прямыми лопастями, жестко установленными на траверсах с наклонными ветвями. Проведенные на этапе эскизного проекта теоретические и экспериментальные работы на моделях подтвердили эффективность ветроустановок с вертикальной осью вращения и целесообразность создания вертикально-осевой ветроустанов- ки мегаваттной мощности. В конце 1989 года проект КБ «Южное» на Всесоюзном конкурсе Госкомитета по науке и технике СССР занял ІІ место в классе ве- троустановок мощностью свыше 100 кВт как самый мощный ветроагрегат с вертикальной осью вращения. По результатам конкурса проект «Ветроэлектрическая установка с вертикальным валом мощностью 1250 кВт», разработанный КБ «Южное», был включен в Государственную научно-техническую программу ГКНТ СССР «Экологически чистая энергетика» [17]. К работам были привлечены ЦАГИ (г. Жуковский), филиал ЦАГИ (г. Москва), ВПИ НИИ «Гидропроект» (г. Москва), ВНИИ электроэнергетики (г. Москва), НИИ НПО ХЭМЗ (г. Харьков), ДГУ (г. Днепропетровск), КБ им. Миля (г. Москва) и др. В рамках проекта организациями-разработчиками был проведен большой объем исследовательских и проектных работ, в том числе: исследование режимов обтекания потоком Н-ротора; расчетно-теоретические и экспериментальные исследования аэродинамических характеристик Н-ротора; разработка методики и расчет аэродинамических характеристик Н-ротора; разработка методики и оптимизация конструктивных и геометрических параметров Н-ротора; разработка методики и расчет нагрузок на Н-ротор; определение компоновочной схемы ветроу- становки и согласование основных технических характеристик составных агрегатов и систем; определение компоновочно-силовой схемы ветровой турбины и расчет частотных, жесткостных и прочностных характеристик траверсы и лопасти, расчеты динамических и прочностных характеристик конструкции и выбор основных конструкционных материалов; проектирование ветровой турбины, опорно-трансмиссионной системы, опорной башни, мультипликатора, системы генерирования электроэнергии, системы контроля и управления, вспомогательных систем ветроустановки; исследование экономической эффективности ветроустановки.
Разработанная ветроустановка «ВТО-1250Б» мощностью 1,25 МВт (рис.1) предназначалась для обеспечения потребности в электроэнергии крупных промышленных объектов и жилых поселков, расположенных в районах с высоким ветровым потенциалом и удаленных от централизованных энергосистем, таких как Крайний Север, Дальний Восток, Якутия, Чукотка. При этом ветроустанов- ка рассчитывалась на повышенные ветровые нагрузки (среднегодовая скорость ветра 7,5-9,5 м/с), экстремальные климатические условия эксплуа-тации («холодный» и «арктический» климатические районы), отсутствие централизованной энергосистемы (автономная работа ветроустановки и работа в составе ветродизельных электростанций). В 1991 году на секции ветроэнергетики объединенного научного Совета ГКНТ СССР и АН СССР по проблеме «Нетрадиционная энергетика» был защищен технический проект «Ветроэлектрическая установка ВТО-1250Б» [21]. При этом было отмечено, что показатели разработанной ветро- установки соответствуют современному научно-техническому уровню, а схема ветроагрегата - перспективным направлениям развития ветроэнергетики. В этом же году Красноярский крайисполком совместно с ТЭО «Сибирьэнерго» приняли решение о строительстве в пос. Диксон опытно-промышленной ветроэлектрической станции на базе ветроустановки «ВТО-1250Б».
Рис.1. Ветроустановка «ВТО-1250Б»
В связи с этим дальнейшая работа по проекту выполнялась с учетом адаптации ветроустановки к условиям совместной работы с дизель-электрическими установками в локальной энергосети пос. Диксон. Однако в конце 1991 года произошел распад СССР и на стадии разработки рабочей документации работы по проекту были прекращены.
В феврале 1992 года проект вертикально-осевой ветроустановки мощностью 1250 кВт КБ «Южное» был включен в научно-техническую программу «Экологически чистая энергетика» вновь созданного ГКНТ Украины. В связи с этим было принято решение о разработке в рамках проекта ГКНТ Украины новой модификации ветроустановки «ВТО-1250Б», получившей название «Южная-350» мощностью 350 кВт, более эффективной в ветровых и климатических условиях Украины. Учитывая отличия ветропотенциала (среднегодовая скорость ветра 5,0-6,5 м/с), климатических условий («умеренно теплый с мягкой зимой» климатический район), наличие централизованной энергосистемы (параллельная работа ВЭУ с сетью бесконечной мощности), ветроустановка «ВТО- 1250Б» при эксплуатации в Украине имела избыточную прочность и материалоемкость, усложненную конструкцию и высокую стоимость, что при уменьшении выработки электроэнергии определяло повышение стоимости вырабатываемой в условиях Украины энергии. При разработке ветроустановки мощностью 350 кВт были использованы исследования аэродинамических, энергетических, динамических характеристик ветровой турбины, основные проектные параметры, схемные и конструктивные решения, примененные для ВТО-1250Б. В конце 1992 года была завершена разработка технического проекта «Ветроэлектрическая установка «Южная» мощностью 350 кВт» [22] и началось строительство опытно-промышленного образца ВЭУ «Южная-350» в Севастополе (рис.2). Однако в 1993 году на этапе изготовления оборудования ветроустановки, в связи с резким ухудшением экономической ситуации в Украине, заказчики прекратили финансирование проекта и работы по вертикально-осевым ветроустановкам в КБ «Южное» были прекращены.
Развитие вертикально-осевой ветроэнергетики в Украине. В 1994 году вертикально-осевой ветроэнергетической тематикой начало заниматься предприятие «Энергетические системы и оборудование» (ЭСО), г. Днепропетровск, основным направлением деятельности которого были разработка, изготовление, строительство и эксплуатация ветроустановок для различных потребителей: от мелких фермерских хозяйств и жилых усадеб до крупных промышленных ветроэлектростанций. Учитывая наукоемкость и сложность разработки, а также отсутствие посторонних источников финансирования и проведение работ только за счет собственных средств, была принята программа развития предприятия «ЭСО». Важным аспектом данной программы был выбор первого стартового проекта ветроустановки, реализация которого позволила бы создать необходимый научный, технический, организационный и финансовый задел для последующего развертывания работ предприятия. Таким стартовым проектом была выбрана автономная ветроэлектрическая установка с Н-ротором Дарье мощностью 20 кВт «ЭСО-0020» с относительно небольшим сроком разработки и низкой стоимостью (рис.3) [14]. Для разработки и изготовления оборудования ветроустановки были привлечены специализированные организации и предприятия Украины: Новомосковский механический завод и завод «АВИАНТ», г. Киев - проектирова-ние и изготовление ветровой турбины; завод «Редуктор», г. Киев - проектирование и изготовление мультипликатора; ЦКБ «Шхуна», г. Киев - проектирование опорнотрансмиссионной системы; Днепрпроектстальконструкция, г.
Днепропетровск - проектирование опорной конструкции; завод горно-шахтного оборудования, г. Днепропетровск - изготовление опорно-трансмиссионной системы; Донецкий завод высоковольтных опор - изготовление опорной конструкции; ПО «Южэлек- тромаш», г. Новая Каховка - изготовление электрической машины; ГКБ «Днепровское», г. Днепропетровск - проектирование и изготовление системы управления и др. В 1995 году опытно-промышленный образец ветроустановки прошел сертификационные испытания в ЦАГИ, г. Жуковский, в следующем объеме: прочностные расчеты конструкции (расчет ветровой турбины на статическую и усталостную прочность, прочностной расчет опорно-трансмиссионной систе мы, расчет мультипликатора на статическую и усталостную прочность, расчет опорной конструкции на прочность при действии динамических и ветровых нагрузок); автономные стендовые испытания мультипликатора и системы генерирования электроэнергии; комплексные испытания ветроустановки (гоночные испытания, динамические испытания с определением собственных частот элементов конструкции, испытания в аэродинамической трубе АДТ-101 с определением напряженно-деформированного состояния ветровой турбины и опорной конструкции, натурные испытания с определением энергетических характеристик ветроустановки); ресурсные испытания ветровой турбины и опорной конструкции.