Вступление
По данным Всемирной ассоциации ветроэнергетики (WWEA), в 2019 году установленная мощность всех ветровых электрических установок (ВЭУ) в мире составляла 650,7 ГВт. В России по состоянию на 1 сентября 2020 года установленная мощность наиболее крупных 22-х сетевых ВЭС достигла 336 МВт. Самая большая российская ветростанция мощностью 150 МВт была построена в 2020 году в Республике Адыгея. Определённое развитие в изолированных энергорайонах Крайнего Севера и Камчатки получили ветродизельные станции. Ускорение темпов развития российской ветроэнергетики с 2019 года определялось государственной поддержкой и созданием необходимой законодательной базы, участием мощных финансовых структур — ГК «Росатом», ГК «Роснано» и ПАО «ЭНЕЛ Россия» — с организацией в России на шести заводах производства оборудования ВЭУ.
Адыгейская ВЭС (мощность 150 МВт) — самая большая российская ветроэлектростанция
Россия имеет столетнюю историю развития научных и конструкторских ветроэнергетических школ, большой опыт серийного производства и эксплуатации ветровых электрических установок, в том числе для арктических и антарктических условий. В ближайшие годы в нашей стране предстоит воссоздать утерянные после распада СССР научные и инженерные ветроэнергетические организации.
Научно-техническая школа Н. Е. Жуковского
Теоретические основы ветроэнергетики в России в начале XX века были заложены членом-корреспондентом Российской Императорской академии наук, профессором Императорского технического училища (ИМТУ) Николаем Егоровичем Жуковским (1847–1921) и его учениками: докторами технических наук В. П. Ветчинкиным, Н. В. Красовским, Г. Х. Сабининым и Г. Ф. Проскурой.
Владимир Петрович Ветчинкин (1888–1950) являлся самым близким учеником Н. Е. Жуковского. Его отличала широта научного кругозора: аэрогидродинамика, ветроэнергетика, теория ракетного движения и космических полётов. В. П. Ветчинкин в 1914 году на основе теории «идеального» гребного винта Н. Е. Жуковского ввёл понятие коэффициента преобразования энергии ветра и предложил теорию «идеального ветряка», а в 1920 году Н. Е. Жуковский в статье «Ветряные мельницы НЕЖ» («НЕЖ» — инициалы автора) и двух других статьях дополнил её до «классической» теории ветряка [1]. В созданном Н. Е. Жуковским 1 декабря 1918 года Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ, город Москва) В. П. Ветчинкин возглавил отдел №1 по общетеоретическим исследованиям. Д.т.н. В. П. Ветчинкин был главным экспертом СССР по ветроэнергетике и блестящим её популяризатором.
Д.т.н., профессор Николай Валентинович Красовский (1891–1957), выпускник ИМТУ, в 1919 году как инженер-механик возглавил отдел ветряных двигателей (ОВД) ЦАГИ. В 1923-м он завершил сооружение ветряной испытательной станции в ЦАГИ [2]. Н. В. Красовский, Г. Х. Сабинин и В. Р. Секторов в 1930 году разработали проект первой советской сетевой Балаклавской ВЭС мощностью 100 кВт. В отделе ветряных двигателей ЦАГИ под руководством Н. В. Красовского А. И. Макаревским были разработаны методы расчёта на прочность лопастей и башен ветродвигателей [3].
Д.т.н., профессор Григорий Харлампиевич Сабинин (1884–1968) участвовал в разработках всех конструкций ветряных двигателей ЦАГИ. Основное направление его деятельности — разработка систем регулирования частоты вращения ветродвигателей, создание поворотных лопастей и управление ими с помощью вспомогательного руля-стабилизатора (1922 год), одновременно исполняющего функцию регулирующего органа [4]. В 1926 году он опубликовал статью о расчёте поворотных лопастей, а в 1927–1928 годах испытал их в натурных условиях. Результаты исследования «идеального ветряка» были изложены Г. Х. Сабининым в 1929-м, а в 1931 году теория аэродинамического расчёта ветряных двигателей была описана им в работе, согласно которой максимальный коэффициент использования энергии ветра ветроколесом равен 0,687.
Ветроустановки ЦАГИ: концепции и конструкции
В основу создаваемых ветроустановок ЦАГИ легли результаты теоретических и экспериментальных работ. В 1923 году был построен ветросиловой испытательный стенд ЦАГИ, а в 1924-м под руководством Н. В. Красовского была спроектирована, изготовлена и установлена на бакинских нефтяных промыслах первая работающая ветроустановка ЦАГИ с самоустанавливающимися лопастями и регулятором, предложенным Г. Х. Сабининым, с диаметром рабочего колёса 14 м и мощностью 36,8 кВт [4]. Установка предназначалась для привода глубинных насосов нефтяных скважин.
Верхняя часть башни ветряной испытательной станции ЦАГИ. 1923 год
В последующие годы работа ЦАГИ по ветроэнергетике велась по двум основным направлениям. Для сельскохозяйственного назначения (привод насосов, мельниц) были созданы тихоходные многолопастные ветродвигатели ТВ-5, ТВ-8, УВД-8 с диаметрами рабочих колёс 5 и 8 м, соответственно. Ветродвигатель ТВ-5 при мощности 1,8 кВт имел 18–24 лопастей и обеспечивал подъём воды на высоту 70 м с расходом 3,5 м³/ч. Наибольшим спросом пользовались ветродвигатели ТВ-8, производство которых в 1936 году достигло 1300 шт.
Второе направление деятельности Центрального аэрогидродинамического института — создание быстроходных трёхлопастных ветродвигателей и ветроустановок с регулированием числа оборотов за счёт изменения углов поворота лопастей с помощью вспомогательного руля-стабилизатора разработки Г. Х. Сабинина.
По заказу дирекции Северного морского пути (СПМ) ЦАГИ [а с 1930 года — его преемник, Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ)], разработали несколько конструкций ВЭУ, которые эксплуатировались на десятках полярных станций от Баренцева моря до Чукотки при аномальных атмосферных условиях: скорость ветра до 40 м/с, температура воздуха до −40°C. Были разработаны, изготовлены и испытаны трёхлопастные быстроходные ветроустановки: ЦВЭИ Д-8, ЦВЭИ Д-10 с диаметром рабочих колёс 8 м. В 1935 году была создана ветроустановка 3ЦВИЭ Д-12 с диаметром ветроколеса 12 м и мощностью генератора до 15 кВт. Конструкция этих агрегатов предусматривала вертикальную червячную трансмиссию от ветроколёс к электрогенераторам у основания башни [5]. Практическое применение этих ВЭУ с 1932 по 1945 годы позволило определить, что они обладают наилучшими эксплуатационными показателями. В СССР больше всего было произведено ветродвигателей Д-12 разных типов — 1500 шт. Были созданы полярные ветродизельные станции (ВДЭС) в составе ветроустановки с генератором мощностью 15 кВт, дизельной станции такой же мощности, электрических аккумуляторов из расчёта времени запуска резервной дизельной станции. Срок эксплуатации таких ВДЭС в арктических условиях превышал 12 лет [5].
Оригинальная ветряная мельница, предназначенная для орошения полей, на Всероссийской сельскохозяйственной и кустарно-промышленной выставке в Москве. 1923 год
В 1931 году по чертежам ЦАГИ была построена первая в СССР сетевая Балаклавская ВЭС под городом Севастополем, работающая параллельно с тепловой электростанцией, мощностью 100 кВт, которая до 1940 года была самой мощной ВЭС мира. Главным теоретиком аэродинамической схемы ВЭС был В. П. Ветчинкин, а испытателем являлся В. Р. Секторов. Технические решения оказались удачными и обеспечили работу установки до 1942 года (11 лет) — до её разрушения во время войны. Конструкция данной ВЭС предвосхитила современную концепцию создания ветроэлектростанций: трёхлопастное рабочее колесо с возможностью регулирования углов поворота лопастей, соосное расположение рабочего колеса, редуктора и генератора в гондоле. В статье [6] представлены результаты опытной эксплуатации Балаклавской ВЭС с 1931 по 1933 годы, в том числе при скоростях ветра 30 м/с. В статье [7] В. Р. Секторов приводит результаты опытной эксплуатации ВЭС, на многие годы определившей развитие мировой ветроэнергетики.
Ветродвигатель ЦВЭИ Д-30 в Балаклаве в Крыму. 1931 год
В 1931 году под руководством В. П. Ветчинкина и при финансовой поддержке ЦАГИ было завершено сооружение Курской ВЭУ мощностью 3,5 кВт с первым в мире инерционным аккумулятором. Русский изобретатель Анатолий Георгиевич Уфимцев (1880–1936) получил охранное свидетельство СССР на эту установку ещё в 1918 году. Её строительство с участием государственных и частных средств, в том числе советского писателя Максима Горького, длилось с 1923 по 1931 годы.
Ветроэлектрическая установка изобретателя А. Г. Уфимцева (Курская ВЭС) в наши дни
У своего дома в центре города Курска А. Г. Уфимцев построил башню высотой 42 м с трёхлопастным колесом диаметром 10 м. Лопасти имели регулируемые углы поворота. Перед генератором постоянного тока мощностью 3,5 кВт впервые в мире был установлен инерционный аккумулятор в виде стального диска диаметром 950 мм и весом 328 кг, размещённого в вакуумированном корпусе.
Это устройство позволяло сглаживать пульсации ветра и обеспечивать работу генератора при его отсутствии. Данная ВЭУ обеспечивала электроснабжение и отопление дома, мастерской А. Г. Уфимцева и уличного освещения до 1936 года и при скорости ветра 4 м/с выдавала мощность 1,5 кВт, причём при отсутствии ветра могла работать до 16 часов.
На Первой Всесоюзной ветроэнергетической конференции 1932 года (в городе Харькове) отмечалось, что в СССР разработкой ветроустановок занимаются в основном ЦВЭИ (Москва) и харьковский Украинский институт промышленной энергетики (руководитель лаборатории — д.т.н., а впоследствии академик УАН Г. Ф. Проскура). В 1931 году в СССР работало 100 тыс. ветряных мельниц единичной мощностью от 2 до 8 кВт, с общей установленной мощностью 515 МВт [8].
По ряду причин деятельность ЦВЭИ в 1935 году была прекращена, а отдел ветроэнергетики в ЦАГИ был воссоздан только в 1946-м по инициативе В. П. Ветчинкина. В последующие годы ЦАГИ, несмотря на наличие ведущих специалистов в области ветроэнергетики, не удалось восстановить свой былой научный потенциал и возглавить возрождение ветроэнергетики в Советском Союзе.
Проекты мегаваттных ВЭС
По результатам успешной работы Балаклавской ВЭС и по инициативе руководителя тяжёлой промышленности (Наркомтяжпром СССР) Г. К. Орджоникидзе (1886–1937) в 1932 году был объявлен конкурс на разработку эскизного проекта ВЭС мощностью 5 МВт.
В конкурсе участвовали три организации. Институтом ЦВЭИ (ведущий конструктор В. В. Уткин-Егоров) был представлен проект ВЭС типа ЦВЭИ Д-100 мощностью 5 МВт с высотой мачты 65 м и диаметром трёхлопастного ветроколеса 100 м. Такая станция имела свой аналог — как указывает В. Р. Секторов в статье [7], Балаклавская ВЭС была уменьшенной копией ЦВЭИ Д-100. Ранее этот же институт разработал проект ВЭС ЦВЭИ Д-50 мощностью 1 МВт для электрификации местности в районе горного массива Хибины Кольского полуострова и ирригации территории Заволжья. Второй участник конкурса — Украинский институт промышленной энергетики (город Харьков) — представил проект ВЭС мощностью 4,5 МВт с высотой мачты 150 м и четырёхлопастным ветроколесом.
Победителем конкурса в 1933 году стал эскизный проект «Икар» далёкого от ветроэнергетики Проектного бюро №14 угольной промышленности, авторами которого являлись Ю. В. Кондратюк (1897–1941) и П. К. Горчаков. Проект ВЭС-2-Д-60 предусматривал строительство железобетонной башни высотой 165 м, сооружаемой методом скользящей опалубки, с тросами растяжки (конструктором этой и будущей Останкинской телевизионной башни стал Н. В. Никитин). На башне одно под другим располагались два трёхлопастных ветроколеса диаметром 60 м и мощностью 5 МВт каждый. Разворот ВЭУ «на ветер» производился всем стволом с опорой на гидравлический подпятник фундамента основания. Между рабочими колёсами и генераторами были предусмотрены гидравлические мультипликаторы для повышения числа оборотов с 20 до 600 мин-1. Расчётные параметры, описание конструкции ВЭС приведено в статье [9].
Эскизный проект «Икар». 1933 год
При решении вопроса о победителе конкурса большое значение имела поддержка конструкции Ю. В. Кондратюка ведущим экспертом СССР по ветроэнергетики В. П. Ветчинкиным.
В 1936 году в Крыму в 4 км от горы Ай-Петри был построен железобетонный фундамент ВЭУ глубиной 5 м. Работа над проектом ВЭС-2-Д-60 продолжалась до апреля 1938 года, когда было принято решение о разработке и изготовлении уменьшенной модели ВЭС-2-Д-20 мощностью 100 кВт с двумя ветроколесами диаметром по 20 м. ВЭС-2-Д-20 была изготовлена в 1941 году на Перовском механическом заводе (Москва), однако начало войны и гибель на ней Ю. В. Кондратюка прекратили дальнейшее развитие этого проекта. Фундамент и мачта ВЭС-2-Д-20 высотой 60 м была смонтирована у платформы Перловка на экспериментальной базе Проектно-экспериментальной конторы треста «Теплоэлектропроект», разработавший рабочий проект ВЭС в Крыму.
Ветроустановки ВНИИ механизации сельского хозяйства (ВИМЭ)
После ликвидации ЦВЭИ развитие его идей и конструкций в СССР осуществлялось в основном в ВНИИ механизации и электрификации сельского хозяйства (ВИМЭ), куда в 1936 году был назначен руководителем лаборатории ветроэнергетики Ефим Михайлович Фатеев (1890–1965), работавший в 1925–1930 годах инженером в ЦАГИ, а в 1930–1932-х — в ЦВЭИ. Под его руководством, с учётом опыта эксплуатации в арктических условиях, в 1930-е годы была создана ветроустановка ЦВЭИ-ВИМЭ Д-12, мощностью 10 кВт, а после войны совместно с В. И. Сидоровым — ветроустановка ВИМЭ Д-18 с вертикальной трансмиссией, мощностью 28 л.с. (20,6 кВт) при скорости ветра 8 м/с, показавшая хорошие эксплуатационные показатели, как в арктических условиях, так и при использовании в сельском хозяйстве [10].
После завершения войны в 1945 году в ВИМЭ были разработаны новые конструкции ветроустановок типа Д-8, Д-10, Д-12. ВИМЭ (а с 1957 года — ВИЭСХ) имел опытный завод в Москве, испытательный полигон в Армавире был основным разработчиком зарядных ВЭУ малой мощности. Данным НИИ в 1938 году были созданы зарядные ветроустановки ВИМЭ Д-3 мощностью 300 Вт и ВИМЭ Д-5 мощностью 2 кВт с регулируемыми лопастями. Аналогичные ВЭУ Д-3 мощностью 1 кВт разрабатывал и производил Всесоюзный институт сельскохозяйственного машиностроения в Москве (ВИСХОМ).
В табл. 1 представлены данные об основных разработчиках ветроэлектрических установок в СССР.
В 1946 году был разработан ветродвигатель ВИМЭ Д-18 ГУСМП с трёхлопастным рабочим колесом со стабилизатором регулирования с вертикальной трансмиссией, и на его основе была создана ВЭУ с синхронным генератором мощностью 25 кВт и генератором постоянного тока мощностью 40 кВт.
Всесоюзный институт сельскохозяйственного машиностроения
Ветроустановка ВИСХОМ Д-3,5
Научно-исследовательский институт сельскохозяйственного машиностроения им. В. П. Горячкина (ВИСХОМ) был создан в 1928 году. В нём был разработан ряд ветроэлектрических установок малой мощности, в том числе ВИСХОМ Д-3,5 и Д-3, причём последняя изготавливалась из менее дефицитных материалов и обеспечивала возможность массового выпуска [11]. ВЭУ комплектовалась генератором постоянного тока (1 кВт).
В 1940 году была разработана ветроэлектрическая установка ВИСХОМ РД-1,5, отличавшаяся простотой конструкции. ВЭУ имела центробежный регулятор частоты вращения ветроколеса. В 1941-м по заданию Главного управления Северного морского пути (ГУ СМП) для электроснабжения арктической автоматической радиометеостанции была разработана ветроустановка с прямым приводом магнитоэлектрического многополюсного генератора от ветроколеса ВИСХОМ УД-1,9 с центробежным регулятором, который мог работать в широком диапазоне ветров вплоть до 50 м/с. Автором разработки был В. В. Уткин-Егоров [10].
Ветроустановка ВИСХОМ РД-1,5
Арктический опыт эксплуатации ВЭУ
После сельскохозяйственных объектов вторым по объёмам применения рынком ветроэлектроустановок в СССР были полярные станции СМП в Арктике. Инициатором их массового применения был легендарный советский исследователь Арктики, начальник Главсевморпути И. Д. Папанин. Внедрением и обслуживанием ВЭУ руководил Владимир Иосифович Сидоров, который с 1934 года занимался эксплуатацией арктических ВЭУ, а на полярной станции на острове Новая Земля в 1936-м проводил эксперименты по получению водорода методом электролиза на ВЭУ и работе на нём поршневой электростанции взамен бензина (в течение часа).
В его книге [5] представлен анализ результатов эксплуатации ветроэлектроустановок на станциях СМП с 1932 по 1945 годы. После войны там работали 49 ветроэлектроустановок, в том числе 17 ВЭУ Д-12 мощностью по 15 кВт, 22 ВЭУ Д-5 мощностью по 2,6 кВт и десять ВЭУ ВИСХОМ Д-3 мощностью по 1 кВт каждая. При этом ВЭУ Д-12 работали по 12 лет, а ВЭУ типа ВИСХОМ УД-1,9 мощностью 100 Вт для электропитания радиостанций функционировали без обслуживания по 20 месяцев.
Ветроэлектрические установки Д-5 и Д-12, работавшие в арктических условиях СМП [10]
Срок окупаемости ВЭУ составлял от четырёх до пяти лет. С 1932 по 1940 годы за счёт эксплуатации ВЭУ количество завозимого топлива уменьшилось в три раза. Интерес представляют рекомендации по устройству фундаментов, борьбе с инееобразованием и прочее. Приведена десятилетняя статистика отказов и экономических показателей эксплуатации ВЭУ.
Практика арктической эксплуатации показала следующую конфигурацию энергоустановки: ВЭУ мощностью 15 кВт, резервная дизельная электростанция, ёмкость электрических аккумуляторов выбиралась из расчёта времени запуска резервной дизельной электростанции.
ВЭУ ВИМЭ Д-18 [10]
В 1946 году на полярных станциях СМП были установлены ВЭУ ВИМЭ Д-18 с синхронным генератором (40 кВт) и вертикальной трансмиссией. Был сделан вывод, что для бесперебойной надёжной работы ветроустановок любой мощности требуется грамотное техническое обслуживание, что весьма актуально и в наши дни. В. И. Сидоров в 1947 году на научно-технической конференции доложил результаты создания и многолетней эксплуатации ветроводородной системы в арктических условиях.
Редуктор ВЭУ ВИМЭ Д-18 [10]
Истринский филиал ВНИИ электромеханики
В 1948 году в составе СМП под руководством В. И. Сидорова была организована Научно-исследовательская лаборатория (НИЛ), а в 1949-м на её базе Постановлением Правительства СССР в городе Истра Московской области, также под руководством В. И. Сидорова, была создана Центральная научно-исследовательская лаборатория по ветродвигателям и ветроустановкам (ЦНИЛВ) с подчинением союзному Министерству тракторного и сельскохозяйственного машиностроения.
В 1949-м в Истре была построена ветроэлектрическая установка мощностью 50 кВт с полным циклом получения водорода по новой технологии электролиза воды. Дальнейшее развитие водородной энергетики В. И. Сидоров связывал со строительством пятимегаваттных ВЭУ конструкции Ю. Н. Кондратюка.
В 1954 году научно-исследовательская лаборатория во главе с В. И. Сидоровым была преобразована в Истринский филиал ВНИИ электромеханики (ИФ ВНИИЭМ), в котором было создано конструкторское бюро и опытное производство.
В 1957 году ИФ ВНИИЭМ построил в совхозе «Авангард» Целиноградской области Казахской ССР ветродизельную электростанцию мощностью 400 кВт. Она состояла из 12-ти трёхлопастных ветроэлектрических установок типа Д-18-СУ-3, с соосным расположением генераторов постоянного тока и лопастей, единичной мощностью по 40 кВт, которые были установлены на расстоянии 200–260 м друг от друга. Ветроэлектрические установки работали совместно с двумя дизель-генераторами мощностью по 200 кВт каждый. Их совмещение обеспечивалось преобразователями постоянного тока. Данная ВДЭС успешно работала семь лет — с 1957 по 1964 годы. В отдельные месяцы выработка ВЭУ достигала 55% [10, 11].
В Истринском филиале ВНИИЭМ под руководством лауреата Государственной премии В. И. Сидорова велись работы по созданию серии новых ветроэнергетических установок мощностью от 1 до 30 кВт вплоть до 1975 года.
Объединение «Ветроэн»
В конце 1950-х годов в СССР научные и конструкторские работы продолжались в ЦАГИ, ВИМЭ (с 1957 года — ВИЭСХ), ВИСХОМ и ВНИИЭМ. Ветроустановки производились 44-я заводами, а максимальное их количество (9142 шт.) было выпущено в 1955 году.
В 1956 году в стране работали 3000 шт. тихоходных зарядных ВЭУ (ВЭ-2) мощностью по 100 Вт. В регионах, например, в Краснодарском крае ветроустановки ТВ-8 обеспечивали до 30% энергопотребления животноводства.
Применение тихоходных ВЭУ ТВ-5 и ТВ-8 в сельском хозяйстве: водоснабжение, полив, обмолачивание, помол, работа кормоцеха и поилок для скота [10]
В 1950-е годы, в связи с массовой электрификацией колхозов и совхозов вследствие их подключения к расширяющейся системе централизованного электроснабжения, началось сворачивание ветроэнергетики. В стране остались практически только две-три организации разработчиков ветродвигателей и ветроэлектроустановок: ЦАГИ, ВИЭСХ в Москве и ВНИИЭМ в городе Истра. Эти организации в 1960–1970-х годах разработали для сельского хозяйства более пяти новых ветряных водоподъёмных установок [11].
В 1975 году, на базе коллектива отдела ветроэнергетики Истринского филиала ВНИИ электромеханики, В. И. Сидоровым было организовано НПО «Ветроэн» Министерства водного хозяйства СССР, в задачи которого входили: научные и конструкторские разработки, выполнение проектов привязки ВЭУ, их серийное производство, обслуживание и ремонт. По существу, это было единственное в советском государстве предприятие полного цикла изготовления оборудования для ветроэнергетики. Производство ВЭУ было организовано в ряде филиалов НПО «Ветроэн»: в городах Астрахани и Уфе, а также в Киргизской ССР (город Фрунзе) и в Казахской ССР (город Караганда).
Ветроустановка АВЭУ-6-4
Самой работоспособной конструкцией ветродвигателя НПО была АВЭУ-6–4 мощностью 4 кВт, разработанная к.т.н. В. Е. Федотовым в Истринском филиале ВНИИЭМ и представленная на государственные испытания в 1970 году. Она имела рабочее колесо с двумя лопастями диаметром 6 м. Высота опорной мачты — 9 м, диапазон рабочих скоростей ветра — 5–40 м/с, виндрозный механизм разворачивал двигатель «на ветер». Главное достоинство этого агрегата — надёжность и устойчивость в работе, высокое качество работы центробежно-аэродинамического регулятора частоты вращения ветроколеса.
Длительные испытания АВЭУ-6–4 на Мархотской испытательной базе НПО (посёлок Кабардинка, город Геленджик) показали, что при скорости ветра 40 м/с частота тока генератора чётко ограничивается верхним пределом частоты 52,5 Гц [11]. В 1972 году производство данных ВЭУ было начато на заводе «Тяжэлектромаш» в городе Фрунзе, а с 1977-го — на заводе «Ветроэнергомаш» (город Астрахань). В 1980-е годы на этом заводе ежегодно производились до 500 таких ВЭУ. В 1990 году в РСФСР только в сельском хозяйстве эксплуатировались 2000 АВЭУ-6–4.
Положительный пятилетний опыт эксплуатации этих агрегатов был накоплен на Новолазаревской антарктической станции при температурах до −50°C и скорости ветра до 40 м/ч. В 1981–1985 годах там работали на обогрев помещений четыре агрегата, а с 1986 года — шесть, каждый из которых в год замещал четыре тонны дизельного топлива. Наибольшее количество АВЭУ-6–4 — 26 шт. на одном объекте (рыбзавод) — было установлено в 1980-х годах на острове Сааремаа в Эстонии, они обеспечивали подогрев воды. Новое, некомпетентное руководство НПО «Ветроэн» додумалось объединить большинство этих ветроэлектроустановок в параллельную работу, в результате чего большинство из них довольно быстро вышло из строя. Этим было серьёзно подорвано доверие к малой ветроэнергетике.
НПО «Ветроэн» также серийно производило зарядные ветроустановки мощностью 100–250 Вт и водоподъёмные установки механического типа производительностью до 1 м³/ч.
Удачными конструкциями отличались ВЭУ Рыбинского завода приборостроения с приводом электродизельной опреснительной установки УВЭО-0,5 со среднесуточной производительностью 4 м³, а также двухлопастная ВЭУ «Шексна-0,5″ мощностью 500 Вт.
В 1990-е годы главным конструктором НПО «Ветроэн» Л. И. Терентьевым были разработаны перспективные модели ВЭУ АВЭУ-16, АВЭС-100, АВЭС-250. Двухлопастная ветроустановка АВЭУ-16 (16 кВт) предназначалась к производству на заводе в городе Уфе, однако производство так и не было начато. АВЭС-100 мощностью 100 кВт была разработана для автономного режима работы, а АВЭС-250 мощностью 250 кВт — для параллельной работы с энергосистемой. В этих установках применялось ветроколесо с тремя стеклопластиковыми лопастями, гидравлический привод разворота лопастей, устройство автоматической раскрутки кабеля. В 1992 году производство АВЭС-250 было начато в НПО «Южное» (город Днепропетровск, Украина).
Воркутинская (Заполярная) ВЭС в наши дни
На Воркутинской ВЭС (на водозаборе в 32 км от города Воркуты) в экспериментальном режиме с 1995 по 2006 годы работали пять из шести установленных АВЭС-250.
В сооружении и эксплуатации в первые годы Воркутинской и Анадырской ветроэлектростанций определяющую роль сыграли руководитель «Ветроэна» тех лет Юрий Иванович Новак и главный инженер Василий Яковлевич Шеин. Следует отметить очень сильный в те годы коллектив научно-исследовательского и проектного института «ПечорНИИпроект» (город Воркута), специалисты которого в содружестве с Северным отделением НИИ оснований и подземных сооружении им. Н. М. Герсеванова (СОНИИОПС, Воркутинский филиал бывшего Всесоюзного института мерзлотоведения) разработали и запатентовали уникальную конструкцию сборного железобетонного «надземного» фундамента ВЭУ для вечномёрзлых грунтов. Конструкция этого фундамента была применена и на Анадырской ВЭС.
Анадырская ВЭС на мысе Обсервация, Чукотский АО
В 2001 году на мысе Обсервация Чукотского автономного округа НПО «Ветроэн» совместно с ГКБ «Южное» (город Днепропетровск) была построена Анадырская ВЭС мощностью 2,5 МВт, на которой были установлены десять ветроагрегатов АВЭ-250 СМ в северном исполнении, произведённые ГКБ «Южное». На первом этапе до 2002 года ВЭС работала параллельно с ДЭС посёлков Шахтёрский и Угольные Копи. Были опробованы режимы поагрегатной остановки двигателей ДЭС до полного замещения при порывах ветра до 40 м/с и температуре воздуха до −40°C [12].
В 2002 году данная ВЭС была переключена на совместную работу с Анадырской ТЭЦ мощностью 10 МВт. В 2016–2018 годах шесть агрегатов АВЭ-250 СМ заменили на шесть датских установок Micon-530 единичной мощностью по 250 кВт, а также была выполнена модернизация четырёх АВЭ-250 СМ.
К середине 1980-х годов относится наиболее серьёзная попытка возродить на новом техническом уровне ветроэнергетику Советского Союза, предпринятая Бюро Совета Министров СССР по топливно-энергетическому комплексу. Результатом сложнейшей аналитической, согласовательной и организационной работы учёных, сотрудников министерств, комитетов и бюро по ТЭК явилось Постановление Совета Министров СССР от 17 сентября 1987 года №1052 «Об ускоренном развитии ветроэнергетической техники в 1989–1995 годах».
На одного из авторов этих строк были возложены обязанности «выпускающего» этого Постановления и контроль за его выполнением. Как единственный из оставшихся в живых свидетель «борьбы» за утверждение постановления, автор свидетельствует о решающей роли в продвижении Постановления председателя Бюро Совета Министров СССР по ТЭК, заместителя председателя СМ СССР Б. Е. Щербины. С его непосредственной помощью были преодолены основные трудности в согласовании документа на уровне Президиума Совмина СССР. Всего в Постановлении было задействовано девять министерств и комитетов, Академия наук СССР, пять союзных республик.
Нельзя не отметить комплексный характер постановления, в котором были предусмотрены государственные цели по выпуску ветроустановок, определена производственная база, предусмотрено соответствующее финансирование, названы конкретные исполнители, а также предусмотрены меры по преодолению существующих в то время организационных и экономических барьеров.
В соответствии с Постановлением на НПО «Ветроэн» Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР возлагались функции головной организации по созданию и внедрению в народное хозяйство автономных ветроэнергетических установок мощностью до 100 кВт, а на Министерство энергетики и электрификации СССР возлагались функции головного министерства по проектированию, строительству и эксплуатации ветроэлектрических станций мощностью более 100 кВт, предназначенных для работы в энергосистемах, а также разработка технических требований на оборудование таких станций.
К тому времени существовало небольшое производство автономных ВЭУ. В Постановлении было предусмотрено его масштабное расширение, а именно было предписано «произвести ветроэлектрические установки единичной мощности до 100 кВт в 1988–1990 годах 14,3 тыс. комплектов общей мощностью 67 МВт, а в 1991–1995 годах — 43 тыс. комплектов общей мощностью 217 МВт».
Что касается «системных» ВЭУ, то на момент выпуска постановления не было серьёзных исследований по возможному размещению ВЭС, а также отсутствовали серьёзные работы по конструкции ВЭУ, отсутствовала и производственная база, то есть весь научный и производственный потенциал был фактически потерян.
Здесь следует сказать, что руководство НПО «Ветроэн» оказалось неспособным ни технически, ни организационно к выполнению планируемых к решению задач, хотя и выступало одним из инициаторов подготовки Постановления. Оно решило спрятаться за факт непоставки Минэлектротехпромом СССР генераторов мощностью 4, 8, 16 и 30 кВт и таким образом уйти от ответственности, фактически «угробив» порученное дело.
В Министерстве энергетики и электрификации СССР под руководством заместителя министра А. Ф. Дьякова были разработаны проекты системных ветроэнергетических установок единичной мощностью 250 и 1000 кВт и проект Калмыцкой ВЭС мощностью 22 МВт. В МКБ «Радуга» (город Дубна Московской области) под руководством академика РАН И. С. Селезнёва был разработан, изготовлен и впоследствии смонтирован на упомянутой выше Анадырской ВЭС первый агрегат мощностью 1000 кВт. Однако из-за недофинансирования довести до воплощения ветроустановку не удалось, и работы были прекращены на долгие годы.
Крымские ВЭС
Ветроэлектростанции на территории Республики Крым в составе Украины начали строиться в 1993 году. Первая Донузлавская ВЭС мощностью 6,78 МВт была построена в 1993-м в Сакском районе с 63-я ветроагрегатами USW-56–100, изготовленными в ГКБ «Южное» (город Днепропетровск, Украина) по лицензии фирмы Kenetech Windpower Inc. (США), единичной мощностью 107,5 кВт. Судакская ВЭС мощностью 3,76 МВт была построена в 2001-м и состояла из 36 агрегатов USW-56–100. В 1996 году ГКБ «Южное» по лицензии бельгийской фирмы Turbowind освоило производство ветроустановок единичной мощностью 600 кВт.
Донузлавская ВЭС (Республика Крым) в 2008 году
В 1996–2000 годах была построена Сакская ВЭС с Мироновскими и Воробьёвскими ветростанциями суммарной мощностью 20,82 МВт в составе 177 ветроустановок USW-56–100 и трёх Т600–48. На Тарханкутской ВЭС мощностью 22,45 МВт в 2001 году были установлены 127 ВЭУ USW-56–100 и шесть Т600–48. Восточно-Крымская ВЭС мощностью 2,81 МВт имеет 15 ВЭУ USW-56–100 и две Т600–48. На Пресноводненской ВЭС мощностью 7,39 МВт в 2009 году были установлены 52 ВЭУ USW-56–100 и три AN Bonus 600.
Мироновский участок Сакской ВЭС в Республике Крым
В 2014-м была построена самая мощная в то время в Крыму Останинская ВЭС мощностью 25 МВт с десятью ВЭУ WTU-2,5 немецкого концерна Fuhrländer единичной мощностью 2,5 МВт. Производство этих ветроэлектроустановок было локализовано в городе Краматорске Донецкой области Украины на ООО «Фурлендер Винд Технолоджи», с изготовлением башен, анкерных корзин, стеклопластиковых гондол.
Таким образом, на Крымских ВЭС в 1993–2005 годах было установлено 469 ВЭУ типа USW-56–100 общей мощностью 46,9 МВт. Из них в 2020 году отработали расчётный ресурс и в большей своей части требуют замены 402 ВЭУ. Из 11 ВЭУ типа Т600–48 общей мощностью 6,6 МВт отработали расчётный ресурс девять ВЭУ.
Сетевая ветроэлектростанция в Калининградской области
Первая сетевая ветроэлектростанция в современной РФ — Куликовская ВЭС — была построена по инициативе и при активном участии на всех этапах тогдашнего генерального директора АО «Янтарьэнерго» (город Калининград) Бориса Семеновича Затопляева (1937 г.р.) [13]. В 1998–2000 годах около посёлка Куликово Калининградской области были установлены 20 агрегатов V27–225 датской фирмы Vestas единичной мощностью по 225 кВт каждая, проработавшие ранее в Дании семь лет, и один новый агрегат той же фирмы мощностью 600 кВт. Максимальная выработка ВЭС была достигнута в 2003-м — 6,604 млн кВт·ч, при этом коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) составил 16,2%. В настоящее время 20 ветроагрегатов V27–225 демонтированы, семь из них после реновации найдут «третью жизнь».
Ветроагрегаты Куликовской ВЭС в 2015 году
Ветроустановка же мощностью 600 кВт находится в рабочем состоянии, но не эксплуатируется. Земля, занимаемая ранее 20-ю ветроустановками Куликовской ВЭС, ныне рекультивирована. Получен опыт демонтажа оборудования устаревшей ВЭС, который не хотелось бы использовать в ближайшие 20–25 лет.
В 2018 году взамен устаревшей Куликовской ВЭС вблизи посёлка Ушаково Гурьевского района Калининградской области была построена Ушаковская ВЭС мощностью 6,9 МВт, с тремя агрегатами немецкой фирмы Enercon Е70/2300, а так как она строилась взамен Куликовской, то её мощность в настоящее время ограничена до 5,1 МВт.
Ушаковская ВЭС около посёлка Ушаково, Калининградская область
Российская сетевая ветроэнергетика
Опыт создания ЦАГИ в 1931 году первой в СССР и самой мощной (до 1940-го) сетевой Балаклавской ВЭС мощностью 100 кВт не получил дальнейшего развития в последующие годы. Разработанные НПО «Ветроэн» и изготовленные КБ «Южмаш» сетевые ветроагрегаты АВЭ-250 СМ с 1995 по 2000 годы были установлены на Воркутинской ВЭС мощностью 1,5 МВт и на Анадырской ВЭС мощностью 2,5 МВт.
В Крыму с 1993 по 2005 годы были построены девять сетевых ветростанций, на которых установили 469 ветроагрегата USW-56–100 общей мощностью 46,9 МВт, 11 установок Т600–48 общей мощностью 6,6 МВт, три агрегата AN Bonus 600 KW общей мощностью 1,8 МВт, а также десять ветроагрегатов WTU-2,5 общей мощностью 25 МВт.
Современный российский рынок ветроэнергетики был создан после принятия Постановления Правительства РФ от 23 января 2015 года №47-ПП, которое обеспечивает субсидирование сооружение ВЭС мощностью свыше 5 МВт. Инвесторы таких электростанций получают долгосрочные договоры о предоставлении мощности (ДПМ) на российском оптовом рынке после отбора их проектов на конкурсной основе. В отличие от европейских тендерных условий, данная схема предлагает победителям плату за мощность в мегаваттах и выработку электроэнергии в МВт·ч.
В соответствии с условиями ДПМ потребители оптового рынка обязаны в течение 15 лет (срок действия договоров) выплачивать регулируемые вознаграждения за отпущенную ВЭС электроэнергию по льготным тарифам.
Такие конкурсы проводятся регулирующим органом — Администратором торговой системы (АТС) — ежегодно при участии Совета рынка и «СО ЕЭС». В первом туре проекты отбираются по двум критериям: максимально допустимые капитальные затраты на 1 кВт и по требованиям локализации. В 2020 году максимально допустимые капитальные затраты ВЭС составляли 109451 руб. за 1 кВт. На 2020 год степень локализации была установлена в 65%. Постановление №47-ПП обязывает региональные сетевые компании закупать электроэнергию, произведённую ВЭС, для компенсации до 5% прогнозируемых потерь в электросетях. Во втором туре отбор производится по минимальным капитальным затратам на реализацию проекта.
Победившая организация получает гарантии стабильной рентабельности 12% и выгодные тарифы на электроэнергию, но обязана завершить строительство ВЭС и обеспечить выполнение требований по локализации производства их оборудования. Ветроэлектрическая станция должна иметь коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) в течение года не менее 0,15.
В России в настоящее время самой крупной организацией по сооружению ВЭС является Фонд развития ветроэнергетики (ФРВ) на основе редукторных конструкций ВЭС фирмы Vestas (Дания), созданный УК «Роснано» и ПАО «Фортум», с программой строительства до 2024 года ВЭС суммарной мощностью 1,8 ГВт.
ФРВ в 2019 году развернул производство с годовой программой 300 МВт в год (в том числе гондол — в городе Нижний Новгород), включая 300, а в перспективе и 500 лопастей — в городе Ульяновске, башен — в городе Таганроге. Вторым по масштабам строительству ВЭС является АО «НовоВинд» (ГК «Росатом»), создавшее совместное предприятие RedWind B. V. — 51% Windar Renovables (Испания), 24,5% ГК «Роснано» и 24,5% ПАО «Северсталь», на основе безредукторной ВЭУ по лицензии фирмы Lagenway (Дания), с программой строительства до 2024 года ВЭУ суммарной мощностью 1 ГВт.
АО «НовоВинд» в 2020 году развернуло производство с годовой программой до 300 МВт в год, в том числе генераторов, кожухов, гондолы, ступиц и обтекателей на заводе «Атоммаш» и башен на заводе «Ветростройдеталь» в городе Волгодонске. Третьим игроком на российском рынке ветроэнергетики является партнёрство ПАО «ЭНЕЛ Россия» и фирмы «Сименс Гамеса Реньюэбл Энерджи», на основе редукторных ВЭС Siemens Gamesa, с программой строительства до 2024 года ВЭС суммарной мощностью 0,3 ГВт с годовой программой 300 МВт и производством в Санкт-Петербурге.
В табл. 2 представлены основные характеристики современных сетевых ВЭС.
Ветродизельные электростанции
Как было указано выше, в СССР имелись апробированные многолетней эксплуатацией примеры реализации ВДЭС. В 1930-е годы на полярных арктических станциях работали ВДЭС в составе ветродвигателя Д-12 с электрогенератором мощностью 15 кВт, дизель-генератором той же мощности, электрическими аккумуляторами, а с 1947 года — с ветродвигателями Д-18 мощностью 25 кВт.
Ветродизельный комплекс в посёлке Усть-Камчатское, Камчатский край
В 1949 году на днепровском острове Хортица (Украинская ССР) на базе ветродвигателя Д-18 мощностью 25 кВт с вертикальной трансмиссией была построена ВДЭС с синхронным генератором и дизель-генератором той же мощности.
В 1956 году в Акмолинской области Казахской ССР на базе ветродвигателя Д-18-СХ-3 с электрогенератором на одной оси с ветроколесом была построена ВЭУ мощностью 50 кВт. В 1957 году также в Казахстане с 12-ю такими же ветроагрегатами общей мощностью 400 кВт была построена ВДЭС с двумя дизель-генераторами мощностью по 200 кВт [11].
В табл. 3 представлены характеристики современных российских ветродизельных электростанций (ВДЭС).
Наибольший российский опыт эксплуатации ВДЭС в северных условиях имеется на Камчатке. В 2014 году в посёлке Усть-Камчатское Камчатского края ПАО «Передвижная энергетика» была установлена ветроэлектрическая установка Vergnet GEV-MP-C (Франция) мощностью 275 кВт, которая за 2018 год выработала 129430 кВт·ч. В 2016-м там же по заказу правительства Камчатского края смонтировали три ВЭУ фирмы Komaihaltek (Япония) мощностью по 300 кВт, которые за 2018 год выработали 1516820 кВт·ч электроэнергии. Суммарная мощность Усть-Камчатской ВЭС составляет 1175 кВт. Доля (замещения) ВЭС в 2018 году — 7,24%, а годовая экономия топлива достигла 363 т.н.т. (18 млн руб.). За период с 2015 год по первый квартал 2019 года выработка ДЭС составила 14510 тыс. кВт·ч; выработка ВЭУ — 1562 тыс. кВт·ч; доля замещения ВЭУ — 10,8%; экономия топлива — 344 т.н.т. стоимостью 14 млн руб.
В 1996 году в селе Никольское на острове Беринга (Командорские острова, Алеутский район Камчатского края) были установлены две ВЭУ Micon M 600–250/50 (Дания) мощностью по 250 кВт [14]. После их выхода из строя в 2013 году там же смонтировали две ВЭУ Vergnet GEV-MP-C мощностью по 275 кВт каждая, а для сглаживания нагрузок были установлены электробойлеры и АСУ для совместной работы ВЭУ и ДЭС Danvest.
Старая часть села Никольское на острове Беринга, Камчатский край
В 2019 году в работе были две ВЭУ типа Vergnet суммарной установленной мощностью 550 кВт, а также ДЭС мощностью 292 кВт. По данным собственника ВДЭС ПАО «Передвижная энергетика», доля замещения ВЭУ в 2018 году составила 14%, а годовая экономия топлива — 111 т.н.т. стоимостью 5,2 млн руб. За период с 2015 года по первый квартал 2019-го при установленной мощности 550 кВт выработка ДЭС составила 14510 тыс. кВт·ч; выработка ВЭС — 1560 тыс. кВт·ч; доля замещения ВЭУ — 10,8%; экономия топлива — 344 т.н.т. стоимостью 14 млн руб. [15].
По данным опыта эксплуатации ВДЭС АО «Южные электрические сети Камчатки» в селе Никольское и в посёлке Усть-Камчатск, выявлены следующие проблемы ВЭУ фирмы Vergnet: запуск в работу при температуре воздуха ниже −17°C невозможен; регулярный самопроизвольный переход в режим тестирования с последующим срабатыванием защиты с отключением агрегата; неоднократный выход из строя датчиков ветровой турбины; необходимость постоянного контроля вертикальности опор ВЭУ; регулярные сбои системы удалённого доступа ВДЭС; внеочередная замена программного обеспечения ВЭУ (в 2015 году).
Для ВЭУ фирмы Komaihaltek указаны следующие проблемы: разгерметизация гидравлики одного агрегата (износ манжеты масляного фильтра); периодическая остановка ВЭУ из-за загрязнения тормозного диска поворота гондолы вулканической пылью; регулярные сбои системы удалённого доступа ВДЭС [14].
Одной из первых современных ветродизельных электростанций, возведённых на вечной мерзлоте в Арктике, является ВДЭС в посёлке Амдерма (Заполярный район Ненецкого автономного округа, побережье Карского моря), построенная в 2017 году [16]. Численность населения посёлка около 350 человек; среднегодовая/максимальная скорости ветра — 8/42 м/с; зимняя температура до −42°C; обледенения, интенсивная метель/пурга.
Научно-техническое сопровождение проектирования объекта было выполнено коллективом НОЦ ВИЭ СПбПУ (директор В. В. Елистратов), проектирование и авторский надзор — компания «ВТР Инжиниринг» (директор М. А. Конищев). При реконструкции существующей ДЭС и её интеграции с ВЭУ была создана ВДЭС: три ранжированных по мощности ДЭС (в сумме 600 кВт) и четыре ВЭУ по 50 кВт с мачтами высотой по 26 м, китайского производства, адаптированные под местные климатические и логистические условия. В проекте была применена оригинальная модульная конструкция фундамента для вечной мерзлоты и система самоподъёма ВЭУ без применения крана.
ВЭС Ghrepower-50 (мощностью 50 кВт, в арктической версии) около посёлка Амдерма
Внедрение ВЭУ позволило снизить: годовой расход электроэнергии на собственные нужды — с 510 тыс. до 160 тыс. кВт∙ч (более чем в три раза); годовой расход дизельного топлива — с 719 тыс. до 416 тыс. л (на 40%), то есть на 303 тыс. л в год (экономия — 12,5 млн руб. в год); объёмы выбросов углекислого газа — на 600 тонн, отсюда доход за счёт снижения экономически обоснованного тарифа составил 45 млн руб. в год.
В посёлке городского типа Тикси в Республике Саха (Якутия) в 2007 году была установлена «реанимированная» немецкая ВЭУ мощностью 250 кВт, которая через несколько лет вышла из строя. В 2018 году были установлены три ветроагрегата японской фирмы Komaihaltek мощностью по 300 кВт, адаптированных для работы в полярных условиях. Разработан проект ВДЭС, включающий ВЭУ общей мощностью 3 МВт и систему аккумулирования электрической энергии.
Российский рынок ВДЭС может быть сформирован в первую очередь для регионов Крайнего Севера, где проживает около 10 млн человек и куда ежегодно завозится около 1 млн тонн дизельного топлива общей стоимостью около 100 млрд руб. («северный завоз») для 900 эксплуатируемых ДЭС, по данным Российского энергетического агентства (РЭА).
При средней установленной мощности 0,5 МВт суммарная мощность ДЭС составляет 450 МВт. Суммарные расходы бюджетов всех уровней регионов Крайнего Севера с изолированными энергосистемами в 2016 году составили 150 млрд руб., а перекрёстное субсидирование — 80 млрд руб., по данным Центра энергоэффективных технологий региона.
Ветроустановка Д-12 на полуострове Диксон в Арктике. 1930-е годы
При условии перспективного сооружения ВДЭС в регионах Крайнего Севера для 20% ДЭС суммарная потенциальная мощность ВЭУ составит 90 МВт, а при средней единичной мощности 0,3 МВт их количество превысит 300 шт. При замещении ВЭУ всего лишь 10% ежегодно расходуемого топлива на ДЭС регионов Крайнего Севера экономия может составить 23 млрд руб.
Ветроэнергетические характеристики
Для проектирования ВЭУ принципиальное значение имеет получение достоверной информации об энергетических характеристиках ветра в месте сооружения станции. В России академическая наука систематически стала заниматься ветроэнергетикой в 1916 году, когда в составе Комиссии по изучению естественных производительных сил (КЕСП) Императорской Академии наук был создан энергетический отдел. В 1919 году им был издан том I «Ветер как двигательная сила», в котором был оценён ветроэнергетический потенциал России. В 1935 году д.т.н. Н. В. Красовским был разработан Атлас ветроэнергетических ресурсов СССР.
Ветроэнергетический кадастр представляет собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра. Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются: среднегодовая скорость ветра, годовой и суточный ход ветра, повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей, максимальная скорость ветра, распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности, удельная мощность и удельная энергия ветра, ветроэнергетические ресурсы региона. Информационную основу кадастра составляют данные многолетних (1940–1990) измерений на государственной сети метеорологических (3500) и аэрологических (150) станций. Рекомендуемые данные прошли многократную и всестороннюю методическую и многолетнюю практическую апробацию и опубликованы в справочниках [17–19], в атласе [20].
Первым признанием необходимости развития возобновляемой энергетики на уровне Правительства РФ явилось поручение от 7 июня 1993 года министра топлива и энергетики России Ю. К. Шафраника, которое стоит процитировать: «Костюнину В. Н., Бушуеву В. В. (Это заместители министра. — Прим. авт.). Прошу вас организовать разработку концепции развития и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики в энергетическом балансе России. В концепции должны быть отражены региональные по значению запасы угля, нефти, газа, торфа, использование малых электростанций, энергии ветра, солнца, термальных вод… Данная концепция должна быть увязана с общей программой. О начале работы и первых выводах проинформируйте до 10 июля 1993 года…».
Выполнение поручения было возложено на П. П. Безруких, в то время первого заместителя начальника Главного управления энергоресурсосбережения и нетрадиционных видов энергии. Задача явилась принципиально новой, фактически был поставлен вопрос: «Сколько тонн условного топлива или киловатт-часов электроэнергии может дать возобновляемая энергетика?». Из ответа на него предполагалось сделать вывод — стоит ли ей заниматься? Оказалось, что к такой постановке вопроса учёные не были готовы, в том числе и члены рабочей группы, организованной для выполнения поручения министра. Тем не менее, в результате бурных дискуссий и оценки энергетических соотношений между приходящей на землю солнечной энергией (с одной стороны) и определяемой ею ветровой и гидравлической энергией и биомассой (с другой стороны) удалось согласовать оценки валового, технического и экономического потенциала всех видов возобновляемых источников, за исключением геотермальной энергии, образование которой определялось другими закономерностями.
Концепция была подготовлена в указанный срок, обсуждена на заседании коллегии Минтопэнерго по докладу П. П. Безруких и утверждена министром Ю. К. Шафранником 3 ноября 1994 года [21].
Необходимо отметить, что для написания концепции, а также последующих работ в качестве основы были использованы данные о ветре из справочников по климату СССР, публикуемые Главной геофизической обсерваторией имени А. И. Воейкова. Данные этих справочников были обобщены в атласах ветрового и солнечного климатов России, разработанных сотрудниками указанной выше обсерватории, под редакцией д.г.н. М. М. Борисенко и к.г.н. В. В. Стадника (атлас опубликован в 1997 году) [22].
Далее, в 2000 году НПО «Российско-Датским институтом энергоэффективности» был разработан «Атлас ветров России», в котором нашли отражение последние данные по ветру различных метеостанций РФ и отмечены территории страны с различными скоростями ветра и удельной мощностью ветра на высоте 50 м [20]. Однако для перехода от скорости ветра к ресурсам ветровой энергии требовалось разработать методику определения валового, технического и экономического ресурсов. Это было выполнено в докторской диссертации П. П. Безруких, защищённой в 2002 году, основные результаты которой изложены в [23].
Для оценки валового потенциала были приняты и развиты существующие принципы использования ветра. Первым общепринятым в современных научных разработках принципом является использование энергии ветра в ветроэнергетических системах на определённой высоте Н над поверхностью Земли.
В соответствии с определением, валовый потенциал рассчитывается как суммарная энергия воздушных масс, использование которой возможно современными ветроэлектрическими установками с максимально большой высотой захватываемого приземного слоя Н и соответственной высотой оголовка ветротурбины h. На современных ветроустановках мощностью 750 кВт высота оголовка составляет 60–80 м, а диаметр ветроколеса равен 50–80 м. Серийными установками стали ВЭУ мощностью 1000–1500 кВт с ещё бóльшими высотами башен и диаметром ветроколеса. Поэтому в работе принимается значение h = 75 м, при этом толщина используемого слоя воздушных потоков Н составляет примерно в два раза бóльшую величину, то есть 150 м.
Вторым принципом, принятым на основании имеющихся исследований, является утверждение, что при обтекании воздушными потоками препятствия («воздушной плотины») высотой Н возмущённый поток полностью восстанавливается на расстоянии 20Н после препятствия.
На основании изложенных принципов устанавливается, что максимально полное использование энергии ветра осуществляется ветроэнергетической системой «воздушных плотин» высотой Н, ориентированных перпендикулярно направлению ветра и отстоящих друг от друга на расстоянии 20Н, так что полная ветровая энергия, захватываемая установками по площади территории S в год, представляет валовый потенциал территории Wв [Вт·ч/( м³·год)], который при удельной энергии ветра Ев [ кВт·ч/( м²·год)] равен:
где ρ — плотность воздуха, кг/м³; T — число часов в году, T = 8700; S — площадь территории, м²; vi — среднемноголетняя скорость ветра в i-м диапазоне; pi — вероятность нахождения скорости в i-м диапазоне. Получается, казалось бы, парадоксальный результат: валовый потенциал не зависит от высоты приземного слоя. Вопрос в том, какую скорость необходимо взять для расчёта валового потенциала. Вообще, следует учесть профиль скорости ветра по высоте от 0 до Н. В первом приближении следует рассчитать скорость ветра по высоте, определить среднее значение и по этому значению вычислить необходимые для расчёта vi и pi.
Однако для оценочных расчётов валового потенциала с достаточной точностью можно принять скорость ветра равной скорости ветра на высоте h, составляющей примерно половину Н. При этом технический потенциал определялся как часть валового с учётом известных ограничений по площади размещения ВЭС. Далее работа по определению ресурсов ВИЭ была проведена большим коллективом авторов и опубликована в справочнике под редакцией П. П. Безруких [24]. Дальнейшее совершенствование методики определения технического потенциала было выполнено д.т.н. В. Г. Николаевым, который предложил определять потенциал по произведённой электроэнергии модельного ВЭУ на площади субъекта РФ, с учётом технических и экологических ограничений, а также выполнил ряд ТЭО сооружения ВЭС и программ использования ветровой энергии в регионах России. Также представляют практический интерес работы д.т.н. В. В. Елистратова и д.ф.-м.н. А. А. Соловьёва, предложивших при определении технического потенциала учитывать ограничения технического и географического характера.
Среднегодовые скорости ветра по данным Мирового ветрового атласа (Global Wind Atlas)
По предложению д.т.н. В. В. Елистратова [16, 25] оценку ветроэнергетических ресурсов в условиях ограниченной исходной климатической информации, для повышения точности и достоверности результатов, целесообразно проводить по трёхуровневой методике. На первом уровне, на основании атласа ветров России, климатических справочников, кадастровых и других интегральных оценок ветрового режима, производится предварительная крупномасштабная оценка ВЭР и выбор перспективного региона.
На втором (региональном) уровне оценки ВЭР, после выбора перспективного района, производится мезомасштабное численное моделирование ветрового потока на произвольной высоте над уровнем земли. При моделировании используются: спутниковые данные о скорости и направлении ветра, мезомасштабная цифровая модель рельефа с разрешением до 10 км, цифровая модель шероховатости с разрешением 0,5–10 км. В качестве исходных данных ветрового режима используются многолетние (30 лет и более) расчётные почасовые данные по скорости и направлению ветра, полученные в результате численного прогнозирования погоды. На основании данных региональных климатических наблюдений (давление, температура, влажность) вычисляется поле ветров и экстраполируется вниз к высотам 10–50 м, генерируя статистические данные ветрового режима в расчётных узлах сетки с размером ячейки до 20 км в северных регионах, создавая тем самым так называемые «виртуальные метеостанции».
На третьем уровне предлагается микромасштабное моделирование ветрового потока с использованием данных реанализа специализированных баз данных MEPA, CFSR и др., баз данных спутниковых наблюдений NCEP/NCAR и баз цифровых моделей рельефа и шероховатости поверхности земли — GlobalMapper, NASA SRTM, European Environment Agency и др.
В качестве модели для широкомасштабного моделирования на третьем уровне принимается модель национальной лаборатории Risø Датского технического университета (DTU) — равнинный рельеф. Микромасштабное моделирование производится в программном комплексе WindPRO, общепринятом в мировой практике для проектирования ВЭУ. Результатами расчётов на третьем уровне являются карты высокого разрешения (до 50–200 м) для конкретного места размещения ВЭУ на различных высотах.
Малые ВЭУ
В России в 2020 году было девять основных разработчиков и производителей малых ВЭУ [26, 27].
ООО «НИЦ «Виндэк». Всего разработано восемь конструкций ВЭУ, в том числе четыре с вертикальной осью турбинного типа с направляющим аппаратом: «Виндэк-01В» мощностью 100 Вт (опытный образец); МВТЭУ-1 «Виндэк» (1 кВт); МВТЭУ-5 «Виндэк» (5 кВт); МВТЭУ-10 «Виндэк» (10 кВт); четыре ВЭУ с горизонтальной осью: двухлопастная «Виндэк-ВЕТЭН-02» (200 Вт, выпущено 30 шт.); однолопастные ВЭУ «Виндэк-05» (850 Вт, выпущено 10 шт.); «Виндэк-1″ (1,5 кВт, опытный образец); двухлопастная ВЭУ «Виндэк-5″ (5 кВт). НИЦ «Виндэк» разрабатывает и производит для ВЭУ вентильные генераторы обращённой и необращённой конструкции мощностью от 100 Вт до 20 кВт.
ООО «Ветро-Свет» (г. Санкт-Петербург) разработало ВЭУ типа ВА-250 мощностью 200 Вт (мелкосерийное производство) и ВА-900 мощностью 900 Вт.
ООО «Сальбомаш» (г. Гатчина Ленинградской области) разработало четыре конструкции с вертикальной осью типа «ОСА300–12» мощностью 300 Вт (мелкосерийное производство) и 500 Вт, а также 2 кВт и 3 кВт.
ООО «ГРЦ-Вертикаль» (г. Миасс Челябинской области) разработало ВЭУ с вертикальной осью ВЭУ-1 (1 кВт, мелкосерийное производство), ВЭУ-3 (3 кВт), ВЭУ-30 (30 кВт, опытный экземпляр).
ООО «ВДМ-техника» (г. Москва) разработало ВЭУ VDM-5 мощностью 5 кВт (опытный экземпляр) и VDM-30 (30 кВт).
ООО «Радуга-15» (г. Дубна Московской области) разработало ВЭУ «Радуга-008» мощностью 8, 16 и 24 кВт (опытные экземпляры) и «Радуга-001» (1 кВт).
ООО «Ветрострой» (г. Сафоново Смоленской области) разработало и производит ВЭУ мощностью 500 Вт, 1 и 2 кВт (произведено более 1000 шт).
ООО «Арнади» (г. Владимир) разработало и производит ВЭУ с вертикальной осевой роторной турбиной типа WR TB-Д мощностью 1, 3, 5 и 10 кВт (произведено более 300 шт.).
ООО «Мегат» (г. Дубна Московской области) разработало ВЭУ типа SPIN-15 мощностью 15 кВт (опытный экземпляр) и планирует организовать их совместное производство в Китае.
Выводы
1. В настоящее время ветроэнергетика в России развивается стремительными темпами. Она занимает второе место в возобновляемой энергетике после фотоэлектрических станций. На 1 сентября 2020 года установленная мощность 22-х сетевых ВЭС составляла 351 МВт. В РФ имеется устойчивое финансирование ветроэнергетики от ГК «Росатом», ГК «Роснано», ПАО «ЭНЕЛ Россия» и других мощных структур электроэнергетики. В Российской Федерации приняты необходимые правительственные документы для стимулирования массового сооружения сетевых ВЭС мощностью свыше 5 МВт, а также созданы несколько производств оборудования для ветроэнергетики со степенью локализации до 65%.
2. По ряду причин в России в настоящее время отсутствуют научно-технические ветроэнергетические школы, предприятия полного производственного цикла.
3. Анализ столетнего развития российской ветроэнергетики показал, что наибольшие успехи (мирового уровня) были достигнуты в 1930-е годы, как результат деятельности научной школы Н. Е. Жуковского и его учеников, которые в институтах ЦАГИ и ЦВЭИ разработали в том числе сетевую Балаклавскую ВЭС мощностью 100 кВт, не имевшую в мире аналогов до 1940 года, а также электрические ветровые установки для арктических станций мощностью до 25 кВт. Большой вклад в развитие ветроэнергетики в России также внесли институты ВИМЭ, ВИСХОМ, ИФ ВНИИЭМ, ВИЭСХ, НПО «Ветроэн».
4. В РФ в автономных зонах энергоснабжения, учитывая природно-климатические и социально-экономические особенности территорий, высокие тарифы на электроэнергию и наличие высокого ветроэнергетического потенциала, создаются хорошие возможности для строительства экономически эффективных ветродизельных электростанций.
5. Все системные ВЭУ, как правило, имеют горизонтально-осевую конструкцию с трёхлопастным ветроколесом.
Основными направлениями совершенствования системных горизонтально-осевых трёхлопастных ВЭУ являются:
- в части аэродинамики — повышение эффективности профилей лопастей и снижение их шумности, применение композитных материалов;
- совершенствование приводов генераторов (замена механических мультипликаторов на гидравлические, прямой привод от ветроколёс) и конструкции электрических генераторов;
- увеличение единичной мощности ветроустановок.
Для малых ВЭУ, к которым в России относятся установки мощностью не более 50 кВт, основными направлениями совершенствования являются:
- в части аэродинамики — исследования возможности применения лопастей с высокоэффективными профилями, различными формами лопастей и конфигурации ветроколеса, широкое внедрение композитных материалов;
- применение прямого привода синхронных магнитоэлектрических генераторов от ветроколёс и микропроцессорных систем управления режимами работы ветроустановок;
- создание ветроэнергетических автономных комплексов с различными видами первичных источников энергии и накопителями энергии на современных гелиевых и литий-фосфатных аккумуляторах;
- производство вертикально-осевых ВЭУ Дарриуса и Савониуса и их модификаций с управляемыми и неуправляемыми лопастями, а также возможным применением направляющего аппарата.
