Ветроэнергетика в условиях Заполярья

Г.С. Дмитриев, В.А. МИНИН кандидат технических наук (Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН, г. Апатиты)

Значительная часть населенных территорий Земли располагается в районах с полярным или холодным климатом. Крайний север Европы, Азии, Северной Америки, крайний юг Патагонии, горные районы по всему миру, вся Антарктида могут считаться такими территориями. Общая климатическая особенность этих регионов — зима продолжительностью до 300 дней в году, со снегом и морозами, достигающими -35-50°С. В течение короткого лета температура лишь иногда может достигать +20°С. Здесь дуют сильные и устойчивые ветра, особенно зимой и в переходные периоды — осенью и весной. В этих районах отмечается интенсивное потребление тепловой и электрической энергии населением и промышленными объектами. На заполярных территориях, помимо этого, в течение продолжительного периода наблюдается круглосуточная темнота — во время полярной ночи и круглосуточное солнечное сияние — во время полярного дня.

Мировая статистика показывает, что в этих регионах концентрируется значительный ветроэнергетический потенциал. Однако практически может быть использована лишь небольшая его часть. Основной причиной этого является малая плотность населения (обычно менее 0.1 человека на 1 км2) и низкое, в абсолютных показателях, потребление энергии. Другая важная причина — малое число, а порой и полное отсутствие в рассматриваемых районах крупных промышленных потребителей. Недостаточно развита также инфраструктура (дороги, высоковольтные линии электропередач). Большинство населения в этих районах проживает в небольших городах, поселках и деревнях. В качестве основного источника электроэнергии здесь обычно используются дизельные электростанции (ДЭС). Тепло вырабатывается на мелких котельных или индивидуальными бойлерами, а зачастую дома отапливаются обычными печами на угле или дровах.

Значительная рассредоточенность малых потребителей и их удаленность от опорных баз топливоснабжения приводит к большим транспортным расходам и высокой конечной цене топлива у потребителя. В некоторых случаях дизельное топливо доставляется потребителям даже самолетами! При таких обстоятельствах значительный рост цен на топливо неизбежен. Высока и цена электроэнергии, полученной на основе дорогого топлива. Даже в России, где государство продолжает сдерживать цены на топливо субсидированием традиционного топливно-энергетического комплекса в подобных регионах, стоимость электроэнергии в удаленных рыболовецких деревнях, расположенных на берегах Северного Ледовитого океана, достигает 30-50 центов США за киловатт-час. Подобная цена на электроэнергию делает ее производство ветроэнергетическими установками (ВЭУ) полностью конкурентоспособным по сравнению с производством электроэнергии от дизель-генераторов. Но купить новую ВЭУ, особенно для работы в качестве автономного источника энергии или для использования в гибридной схеме электроснабжения для малого частного или коммунального потребителя все еще довольно дорого. В настоящее время не существует никакого административного или экономического механизма, который поддерживал бы внедрение ВЭУ в России.

Основные направления развития ветроэнергетики в заполярных условиях

Как упоминалось выше, население северных территорий проживает в основном в малых населенных пунктах. Кроме того, здесь имеется множество специфических объектов, таких как метеорологические станции, маяки, пограничные заставы, некоторые объекты специального назначения, которые характеризуются сравнительно небольшим потреблением топлива и энергии, но при этом нуждаются в высокой надежности энергоснабжения. Подобные потребители заинтересованы во внедрении маломасштабных ветроэнергетических установок с различной степенью надежности. Для рыболовецких деревень и других подобных потребителей уровень надежности энергоснабжения может быть не очень высоким, и здесь можно использовать гибридные системы ВЭУ + ДЭС без аккумуляторных батарей. Но для военных объектов, систем навигации и связи источник питания должен быть очень надежен, и в этих условиях следует использовать одну или две ВЭУ совместно с двумя дизель-генераторами и системой аккумулирования энергии. Итак, первым направлением развития ветроэнергетики в условиях Заполярья и Крайнего Севера является внедрение в схемы энергоснабжения децентрализованных потребителей малых ВЭУ (как отдельно стоящих, так и в составе гибридных схем с дизель-генераторами или с ДЭС и аккумуляторными батареями). Основным препятствием на пути развития малой ветроэнергетики является высокая стоимость ветроустановок. Удельная стоимость ВЭУ мощностью менее 50 кВт достигает 2000-3000 долл. за 1 кВт установленной мощности.

Второе направление развития ветроэнергетики — использование ВЭУ в составе развитой электрической сети. Оно существенно зависит от общего промышленного развития региона. Часто территории, расположенные в регионах с полярным или холодным климатом, очень богаты минеральными ресурсами, и поэтому основными промышленными объектами здесь являются рудники, шахты, заводы по производству цветных и черных металлов. Металлургия — очень энергоемкая отрасль, поэтому вокруг подобных промышленных образований, как правило, имеются высоковольтные электрические сети, дороги, вспомогательные предприятия, то есть вся необходимая инфраструктура.

Во многих странах (Канаде, США, Швеции, Норвегии, России, Финляндии, Аргентине и других) исторически в качестве первых энергоисточников использовались гидроэнергетические ресурсы. В настоящее время присутствие в подобных энергосистемах значительной доли генерирующих мощностей ГЭС, особенно с крупными водохранилищами, может компенсировать нестабильную во времени выработку электроэнергии на ветроустановках. Например, в условиях Кольского полуострова в России имеющиеся 1500 МВт установленной мощности гидроэлектростанций могут компенсировать выработку ветропарков суммарной мощностью по крайней мере 500 МВт, а с учетом возможной реконструкции и расширения ГЭС — и еще больше. Подобные площадки наиболее перспективны для крупномасштабного использования энергии ветра в регионах с холодным климатом.

Преимущества применения энергии ветра в заполярных и холодных климатических условиях

Применение энергии ветра в условиях холодного климата имеет три положительных момента.

Во-первых, холодный воздух имеет большую плотность, чем теплый, и поэтому выработка энергии при той же скорости ветра может быть выше. Мощность ВЭУ (кВт) можно выразить как

N = 4.81 • 10-4D2V3,

где  — коэффициент использования энергии ветра (параметр, характеризующий эффективность ветроколеса и являющийся функцией скорости ветра, угловой скорости вращения ветроколеса и угла закрутки лопасти), D — диаметр ветроколеса,  — плотность воздуха, V — скорость ветра,  — общий КПД редуктора и генератора ВЭУ.

Из представленного выражения следует, что мощность ВЭУ прямо пропорциональна плотности воздуха. При понижении температуры воздуха с +15 до -15°С мощность ВЭУ возрастает на 11 %. Но в то же время падение атмосферного давления с 770 до 730 мм ртутного столба снижает мощность ВЭУ на 6%. Это означает, что получить дополнительную мощность при нестабильных погодных условиях Севера будет достаточно трудно.

Во-вторых, регионы с холодным климатом характеризуются высоким удельным потреблением электрической и тепловой энергии.

В-третьих, в этих регионах достаточно высоки цены на электроэнергию и тепло, вырабатываемые на электростанциях и котельных с использованием в качестве топлива угля, мазута или дизельного топлива.

Перечисленные предпосылки стимулируют внедрение энергии ветра в системы энергоснабжения потребителей Севера. Нельзя забывать, что в регионах с суровым климатом улучшение жизненных условий имеет значительно большее значение для населения, чем, например, в средней полосе России.

Специфика развития ветроэнергетики и эксплуатации ВЭУ при холодном климате

При развитии ветроэнергетики в регионах с холодным климатом имеется большое количество специфических проблем, но все они могут быть успешно решены, если заботиться об этом с самого начала реализации проекта.

Во-первых, это проблемы, связанные с транспортировкой ВЭУ и возведением ее на площадке. В удаленных районах Севера инфраструктура обычно не приспособлена для строительства крупномасштабного ветропарка. Дороги узкие, со сложным профилем и слабым покрытием. Порой вообще нет никаких дорог, и ВЭУ должны доставляться и монтироваться с помощью вертолета. Иногда невозможно найти автомобильный передвижной кран необходимой грузоподъемности. Если планируется возвести действительно крупный ветропарк, то лучше организовать и создать всю необходимую инфраструктуру (дороги, транспортная и монтажная техника, электрическая сеть и т.п.) заранее. Но если планируется построить всего одну или две небольших ВЭУ, легче найти такой прототип ветроустановки, который можно доставить на площадку автомобильным, воздушным или водным транспортом.

Суровые погодные условия сокращают сроки возможного строительства ветропарка до трех летних месяцев. Но в полярных широтах летом солнечное сияние и дневной свет имеется круглосуточно, поэтому работы можно вести непрерывно, чтобы наиболее рационально использовать короткое лето. Кстати, лето в этих местностях — наименее ветреное время года, и кроме того, наиболее спокойная, безветренная погода наблюдается в Заполярье в ночные часы (при солнечном свете!).

1 Дмитриев Г.С., Минин В.А. Опыт монтажа и первого года эксплуатации сетевой ветроэнергетической установки около г. Мурманска //Электрические станции, 2004, Ne 2, с. 71-73.

Во время эксплуатации ветроэнергетических установок в арктических условиях необходимо планировать выполнение большинства, если не всех, профилактических работ в летнее время. Зимой нужно быть готовым к тому, что световой день очень короток. Внутри башни и гондолы ВЭУ придется организовывать искусственное освещение. Наилучшим типом башни для ВЭУ в арктических условиях является башня в виде трубы1.

Мировая практика развития ветроэнергетики к настоящему времени накопила богатый опыт. Это позволило в том числе сформировать стандартные требования к ВЭУ, размещаемым в областях с холодным или полярным климатом. Для успешной работы ВЭУ в условиях Заполярья требуется применение хладостойкои стали для всех конструкций со сваркой; синтетической низкотемпературной смазки для основных подшипников; подогрева редуктора за счет внешних тепловых элементов; синтетического трансмиссионного масла в редукторе; синтетической низкотемпературной смазки для подшипников генератора; специальной жидкости для гидравлических систем ВЭУ, не теряющей своих свойств при низких температурах; подогрева контроллера; подогрева лопастей для исключения гололедных явлений и отложения изморози; обогрева метеорологических датчиков для предотвращения образования изморози и оледенения.

Рассмотрим эти требования подробнее.

Для холодного, но не экстремального климата, такого, как на северном побережье Норвегии, берегах Баренцева моря России, подверженных влиянию теплого течения Гольфстрим, нет необходимости использовать для ВЭУ морозостойкую сталь. Достаточно применять глубоко гальванизированные болтовые соединения. Обычный «датский» дизайн ВЭУ здесь вполне приемлем. Но на сибирском побережье Ледовитого океана для изготовления ВЭУ обязательно применение специальных хладостойких сортов стали.

Синтетическую низкотемпературную смазку для основных подшипников и подшипников генератора, а также синтетические масла для редуктора рекомендуется использовать в условиях холодного и арктического климата повсеместно, даже если для этого нет особой необходимости по условиям минимальной зимней температуры. Их стоимость практически находится на уровне стоимости обычных смазочных материалов, а последствия неправильной смазки могут обойтись очень дорого.

Подогрев редуктора с помощью внешних нагревательных элементов необходим только в условиях глубокого арктического климата. В принципе, в редукторе при естественных режимах работы выделяется достаточное количество тепла для эксплуатации его без подогрева в обычных северных условиях.

Для гидравлических систем ВЭУ на всех заполярных площадках должна применяться жидкость, пригодная для условий низких температур. Если этого не сделать и жидкость замерзнет в каком-либо патрубке гидравлического насоса, распредустройства или в регулировочном механизме лопастей, для ликвидации аварии и приведения турбины в нормальное рабочее состояние потребуется много усилий и средств.

Необходимо поддерживать положительную температуру вблизи контроллера ВЭУ. Если он замерзнет, его замена обойдется дорого, а за время простоя ВЭУ по причине неработающего контроллера будет потерян значительный объем выработки электроэнергии.

Обогрев лопастей должен применяться только в случае часто встречающихся явлений оледенения и отложения изморози на выбранной площадке. Обогрев лопастей «съедает» до 10% выработки электроэнергии, что существенно, зато обеспечивает полную работоспособность ВЭУ.

Обогрев анемометра и датчика направлений ветра очень полезны. Иней, лед, изморозь, осаждающиеся на чашечках анемометра, замедляют его вращение или полностью останавливают его, а это в свою очередь ведет к остановке ВЭУ (рис. 1). При фактической скорости ветра 10 м/с анемометр может показывать скорость 2 м/с, что ниже порога включения ВЭУ в работу, и установка будет стоять, несмотря на наличие вполне «рабочего» ветра. Результатом может быть снижение выработки ВЭУ на 10- 15% от годовой. Потребление электроэнергии на обогрев анемометра и флюгера намного меньше.

Использование энергии ветра для отопления в условиях холодного и заполярного климата

Ветер как климатический фактор увеличивает потребление тепла, особенно в районах с холодным климатом или в Арктике. В то же время ветер является экологически чистым возобновляемым источником энергии. Имеется несколько положительных предпосылок для того, чтобы превратить ветер из отрицательного климатического фактора в ценный источник энергии, обеспечивающий активный приход тепла именно в ветреные периоды.

Изучение режимов ветра севера Европейской части России и анализ публикаций на эту тему показывают, что максимальная интенсивность ветра имеет место в зимнее время — как раз тогда, когда наблюдается пик потребности в тепле. Внедрение в этих условиях ветроэнергетических установок могло бы обеспечить экономию до 20-50% дорогого привозного органического (в основном дизельного) топлива, используемого в котельных. Кстати, для выработки тепла не требуется электроэнергия высокого качества. В связи с этим конструкцию ВЭУ можно сделать как можно более простой, прочной и надежной.

В случае применения ВЭУ для теплоснабжения возможно успешное преодоление основного недостатка энергии ветра — ее нестабильности во времени, Краткосрочные вариации (минутные и секундные) выработки ВЭУ сглаживаются аккумулирующей способностью теплоснабжающей системы благодаря ее собственной инерции. Колебания мощности ВЭУ за время от нескольких минут до нескольких часов могут быть компенсированы аккумулирующей способностью отапливаемых зданий или с помощью специальных аккумулирующих устройств. Если ветра нет более длительное время, должны включаться в работу котельные на органическом топливе. Рис. Удельные приведенные затраты в вариантах совместной работы котельной с ВЭУ при различной мощности ВЭУ ( = Nвэу/Nкот), стоимости топлива (ЗF) и удельных капиталовложениях в ВЭУ (kвэу). Мощность котельной равна 580 кВт (0.5 Гкал/ч), номинальная скорость ветра VN = 1.5 V.

Совместная работа котельной и ВЭУ имеет свои особенности. Часть тепловой нагрузки может быть покрыта за счет выработки ВЭУ, остальная часть — за счет котельной. В периоды активного ветра ВЭУ может обеспечивать теплом всю или большую часть тепловой нагрузки, даже иметь некоторый избыток выработки. Однако в морозные периоды со слабым ветром почти вся нагрузка будет покрываться котельной.

2 Минин В.А., Дмитриев Г.С. Перспективы развития ветроэнергетики на Кольском полуострове. — Апатиты, Изд. Кольского научного центра РАН, 1998.

Касаясь экономической целесообразности теплоснабжения потребителей с применением ВЭУ, необходимо отметить, что мощность ВЭУ, участвующей в теплоснабжении, и, соответственно, доля ее участия в балансе покрытия нагрузки имеют свой оптимум, соответствующий, например, минимуму приведенных затрат, после чего дальнейшее наращивание мощности ВЭУ невыгодно. Расчеты показывают, что основными факторами, определяющими эффективность внедрения ВЭУ, являются режим ветра, цена топлива и удельные капиталовложения. Чем выше цена топлива, тем выше доля экономически оправданного участия ВЭУ в покрытии тепловой нагрузки (рис. 2)2.

Опыт использования ВЭУ для теплоснабжения ветроэнергетического полигона Кольского научного центра РАН в поселке Дальние Зеленцы на побережье Баренцева моря и последующие технико-экономические расчеты на основе полученных данных показали целесообразность включения в систему теплоснабжения тепловых аккумуляторов. Аккумулирование избытков тепловой энергии в периоды активного ветра и не самых низких температур воздуха и дальнейшее использование их в периоды слабого ветра или безветрия позволяет поднять долю участия ВЭУ в покрытии графика нагрузки на 5-12% в зимние месяцы и на 23-29% в летние. Аккумулирование тепла дает возможность реже включать котельную и на более короткий период. В некоторые месяцы вся тепловая нагрузка может быть покрыта энергией, произведенной ВЭУ, что даст значительную экономию как в денежном выражении, так и в топливе, и позволит улучшить условия жизни малых изолированных поселков при холодном клима