Опыт развития ветроэнергетики в России
Использование энергии ветра имеет в России большую историю. За метное распространение ветряные мельницы в России получили уже в XVII — XVIII-x столетиях. В конце Х1Х-го века в мукомольном произ водстве России использовалось более 200 тысяч кустарно изготовлен
ных ветряных мельниц небольшой мощности (до 3-5 кВт), перемалывавших до 34 млн. т зерна в год (до 2/3 товарного зерна страны) [36].
К концу ХІХ-ГО века развитие машиностроения в России позволило создать ветродвигатель с автоматической установкой на ветер и регулированием числа оборотов, что обусловило массовое серийное производство и расширенное применение ВЭУ в водоснабжении, деревообработке и пр. В начале XX века началось серийное производство тихоходных многолопастных деревометаллических ветродвигателей конструкции инженера Давыдова, применявшихся в основном для водоподъема на железнодорожных станциях. К 1913 г. в России действовало до 1 млн. ветродвигателей различного назначения с суммарной установленной мощностью до 3 ГВт.
Громадный импульс к развитию ВЭУ дала аэродинамическая теория пропеллерного ветродвигателя, созданная в 1914 — 1918 годах Н. Е. Жуковским [38] и его последователями — В, П. Ветчинкиным. Г. Х. Сабининым, Н. В. Красовским, А. Г. Уфимцевым, А. В. Винтером и др. Ряд работ зарубежных авторов, претендующих на первенство в ветроэнергетике, появились значительно позднее российских, так, часто фигурирующий в зарубежных изданиях как * коэффициент Бетеа* (1926 г.), определяющий максимальную долю энергии ветра, утилизируемой ВЭУ, был получен Ветчинкиным В. П, еще в 1914 г., на 12 лет раньше Бетеа [42].
Особо следует отметить новаторские для мировой практики и выдающиеся в плане технического прогресса ВЭУ отечественные разработки в областях регулирования и аккумулирования ветровой энергии. Предложенные В. П. Ветчинкиным [42], Н. В. Красовским [40], системы механического стабилизаторного и инерционного регулирования ВЭУ, обеспечивали выравнивание скорости вращения ветроколеса с точностью до 2% от расчетного вне зависимости от высокочастотных (= долей минуты) пульсаций ветра и нагрузки на ветродвигатель. Разработка Г. Х. Сабининым лопастей с концевыми поворотными стабилизаторами [39], незаслуженно забытая в настоящее время, обеспечила в свое время (40 — 50-е годы) надежное регулирование ВЭУ (ЦВЭИ Д — 12. ЦАГИ 1Д-18) даже при штормовых ветрах до 40 м/с и более чем 10летний ресурс работы этих ВЭУ даже в условиях Крайнего Севера.
Перспективным и практически важным в области аккумулирования ветровой энергии оказался изобретенный А. Г. Уфимцевым инерционный аккумулятор (1918 г.), эффективный, надежный и простой по исполнению и эксплуатации, использовавшийся впоследствии на ветродвигателях разных типов. А. Г. Уфимцеву принадлежат также идеи теплового водяного аккумулирования, а также далеко обогнавшая свое время идея и разработка в 1918 г. принципа водородного аккумулирования [32]. Российскими учеными был развит ряд перспективных схем гидравли-
ческого (совместная работа ВЭУ и ГЭС, создание наледей в зимний период и пр.) и пневматического аккумулирования ветровой энергии.
В качестве важнейшего для перехода от тихоходных металлоемких ветросиловых ВЭУ на более энергетически эффективные быстроходные следует отметить изобретение и техническую реализацию в 1935 г. муфты конструкции С, Б. Перли, обеспечивающей автоматическое подключение нагрузки (например, поршневого насоса) к валу ветродвигателя лишь при достижении последним заданного расчетного числа оборотов, обеспечивая тем самым его страгивание при малых скоростях ветра.
Развитая аэродинамическая теория вместе с экспериментальным моделированием ВЭУ в аэродинамических трубах [32, 43], положили начало современному этапу развития ветроэнергетики. В 20 — 30 годы заложены теоретические основы аэродинамики и регулирования быстроходных и соответственно более мощных ветродвигателей. На основе полученных теоретических и экспериментальных знаний в СССР были разработаны и построены прогрессивные образцы мощных (до 100 кВт) быстроходных ВЭУ с малым числом лопастей, хорошо обтекаемой формы и эффективными и надежными системами регулирования.
В 1924 г. в ДАГИ под руководством Н. В. Красовского был создан быстроходный ветродвигатель мощностью до 35 кВт с прогрессивной системой механического регулирования, разработанной Г. Х. Сабининым [39].
К концу 20-х годов было разработано и налажено массовое серийное производство тихоходных ветродвигателей для водоподъема и меха — ннческого привода ряда сельхозмашин. Позднее была разработана конструкция быстроходного трехлопастного ветродвигатели Д-12, помимо сельского хозяйства использовавшегося в Арктике для электрификации и системы связи Северного морского пути.
В 1931 г, в Крыму в районе г. Балаклавы была построена крупнейшая в мире ВЭС Д-30 мощностью 100 кВт с диаметром ветроколеса 30 м для параллельной работы на местную электросеть, проработавшая до 19.42 г. (взорвана в связи с немецкой интервенцией).
В Центральном ветроэнергетическом институте (ЦВЭИ) был равра ботан и в 1935 году утвержден Наркомом тяжелой промышленности СССР проект сетевой ВЭУ ЦВЭИ-Д50 мощностью 1000 кВт. Проект не был реализован в связи с началом войны, но вновь был рассмотрен и одобрен в 1945 г., применительно к созданию ВЭС из 10 агрегатов ЦВЭИ-Д50 с номинальной мощностью 10 МВт для районов с высоким ветроэнергетическим потенциалом. Разработанные проекты оказались пе реализованными в связи с трудностями организации централизованного производства н послевоенный период.
яых заводов [32, 46]. Работы по созданию и практическому использованию ВЭУ в эти годы активно проводились во многих республиках бывшего СССР, особенно в Казахстане, России, Туркмении, на Украине.
Только с 1934 по 1938 годы в СССР было спроектировано и введено в эксплуатацию около 3000 ВЭУ различных типов. К 1938 г. было налажено крупносерийное производство ВЭУ мощностью 1,8-4 кВт, суммарный выпуск которых в предвоенный период составил = 10 тысяч.
Наряду с активными разработками ветроэнергетической техники параллельно велись активные работы по исследованию ветроэнергетического потенциала и созданию ветровых кадастров страны [36, 37, 24], В 1935 году был выпущен первый Атлас ветроэнергетических ресурсов СССР (ВЭР) [36], на основе многолетних флюгерных измерений скорости ветра на метеорологической сети СССР и обстоятельном анализе полученных данных. Важнейшим достижением отечественной метеорологии явилась разработанная в середине 30х годов проф. М. Е. Подтягиным и впервые в мире введенная в практику расчета параметров ветра и ветроэнергетического потенциала классификация открытости станций, устанавливающая 9 классов открытости для набегающего ветра и количественные зависимости измеряемых скоростей ветра от высоты установки флюгера и класса станции. Впоследствии В. Ю. Милевским (ГГО) была предложена более информативная классификация метеостанций, насчитывавшая 24 класса открытости, более перспективная для моделирования ВЭР на территории бывшего СССР, действующая в России по настоящее время.
В послевоенный период в короткие сроки было организовано массовое серийное производство ветродвигателей ТВ-5, ТВ-8, Д-12, УН — ЛИМ Д-10. Активно возобновились работы по ветроэнергетике в НАГИ, ВИЭСХ, ДНИ Л В, ЭНИН API СССР и др. Были разработаны и выпущены опытные партии ветродвигателей ВЭС Д-18, 1Д-18 мощностью 30 кВт [32].
Большим достижением отечественной ветроэнергетики стала разработка, строительство (ЦНИЛВ, 1958 г.) и эксплуатация в районе Акмолинска, Казахской ССР, первой в мире многоагрегатной ВЭС — 400 на базе 12 ВЭУ 1Д-І8 конструкции ЦАГИ, подтвердившая возможность и эффективность создания кустовых ВЭС.
В 50-х годах для нужд сельского и лесного хозяйства, охотников, геологов производилось до 10 тыс, ветродвигателей в год [45, 48].
Объемы серийного производства ВЭУ в СССР по годам (1934 — 2002 гг.) приведены в табл. 1 [46].
Всего в СССР, по данным Госплана, с 1934 по 1987 годы было выпущено около 60 тыс, ВЭУ общей установленной мощностью до 150 МВт [32].
Серийное производство ВЭУ в СССР по годам (1934 — 2002 гг.)
|
Таблица 1
|
В 1960 г. ЦК КПСС и Совет Министров СССР приняли Постановление о производстве ветронасосных установок на 1961 — 1965 гг. в количестве 68 тыс. штук общей мощностью около 70 МВт с распределением по годам (табл. 2) [46].
Таблица 2
План серийного производства ветронасосных ВЭУ в СССР в 1961 — 1965 гг,
|
Год |
1961 |
1962 |
1963 |
1964 |
1965 |
|
Выпуск й тыс ВЭУ |
2 |
6 |
12 |
20 |
28 |
|
Установленная мощность. кВт |
2000 |
6000 |
12 000 |
20 000 |
28 000 |
К этому времени относится разработка высокоэффективных быстроходных ветроагрегатов нового поколения для пастбищного водоснабжения: «Вихрь«Беркут», УВЭУ-4 и -6 и ВБ-ЗТ, работающих с электронасосами высокой производительности и надежности.
Однако запланированные рубежи оказались недостаточными для народного хозяйства страны, ив 1961 г, в СССР был разработан перспективный план развития ветроэнергетики до 1980 г. со следующими ориентирами развития отечественной ветроэнергетики (табл. 3) [46].
В соответствии с приведенным планом, суммарная установленная мощность ВЭУ к 1980 г. должна была превысить 7 ГВт при ежегодном наращивании после 1976 г. * 550 МВт. Эта мощность, не являясь определяющей для страны в целом, обеспечивала бы необходимой энергией потребителей в тех местах, где ее получение за счет других энергоисточников было невозможно или экономически нецелесообразно.
При достижении планируемых темпов развития к 80-м годам прошлого века, когда во всем мире возрос интерес к данной энергетической отрасли, СССР, несомненно, оказался бы одним из лидеров мировой ветроэ нергети ки.
Однако к концу 60-х годов в СССР был взят курс на ускоренное развитие «большой» энергетики на базе мощных гидравлических и атомных электростанций и создание на их основе единой энергетической системы страны. Новый курс сопровождался потерями налаженных
|
Таблица 3 План освоения ВЭУ на 1961 —1980 гт, погодам в тыс, штук и в тыс. кВт
|
производственных связей промышленных предприятий, введением новых хозяйственных и рыночных отношений, сменой тематик НИИ и КБ, переориентацией заводов на выпуск иной продукции и, как следствие, оттоком из ветроэнергетики ученых и квалифицированных специалистов. В результате, в период 1967 — 1977 гг. развитие ветроэнергетики в России существенно затормозилось, а крупносерийное производство ВЭУ было практически прекращено.
Свернуты были и соответствующие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Наиболее существенной причиной бурного развития мировой ветроэнергетики в конце прошлого столетия явился мировой энергетический кризис 1973 — 1974 гг., приведший к активным исследовательским и конструкторским разработкам и организации в 80-х годах крупного серийного производства ветроэнергетической техники в индустриально развитых странах: США, Англии, Германии, Дании.
В СССР и России осознание важности возобновляемой энергетики пришло примерно с 10-летним опозданием. Лишь на рубеже 1980 — 1990 гг., упустив стартовый технический рывок упомянутых стран, к разработкам и опытному производству ВЭУ на современном этапе приступили крупные отечественные, в том числе, оборонные предприятия.
Примерно с 1989 г. разработки и организацию производства системных ВЭУ мощностью 250, 315 и 1000 кВт почти одновременно начали МКБ «Радуга*, НПО «Ветроэн», НПО «Южное* (Украина), ПО «Подъемтрансмаш* (Ленинград) [24, 32]. К 1994 г. НПО «Ветроэн* совместно с НПО «Южное* осуществили разработку, производство на Павлоградском машиностроительном заводе, монтаж, испытания и сдачу в опытную эксплуатацию 45 ВЭУ АВЭ-250 мощностью 200 кВт (из них 24 — на Украине и в Крыму, 16 — на территории РФ) [49].
В 1991 — 1992 гг. были смонтированы и проведены пробные пуски установок АВЭ-250 в Дагестане, в Иван-городе (Псковская обл.) и в Геленджике (Краснодарский край). Большинство установленных АВЭ — 250 проработало в энергосистеме до года и более. Однако в силу финансовых трудностей их доводку в полной мере осуществить не удалось.
В 1993 г. в Воркуте была установлена первая в мире большая Заполярная ВЭС на базе 6 установок АВЭ-250, прошедших испытания и сданных в опытную эксплуатацию. Часть из них на протяжении более 10 лет находилась в опытно-промышленной эксплуатации, в результате чего накоплен уникальный для мировой практики опыт использования ВЭС в суровых ветроклиматических условиях Заполярья, использованный позднее при проектировании и строительстве Заполярной ВЭС в Анадыре.
В 1993 г. в Новороссийске были осуществлены пробные пуски экспериментального образца ВЭУ мощностью 250 кВт ГП-250, разработанного КБ Миля, ВНИИЭ, Институтом «Гидропроект* и изготовленного АО «Подъемтрансмаш*. По тем же финансовым причинам они не были доведены до конца.
Многообещающим для отечественной ветроэнергетики в случае реализации мог бы стать совместный проект РАО «ЕЭС России* — МКБ «Радуга* 1990 г. по разработке и организации производства ВЭУ серий «Радуга* нескольких типов мощности: 1,8, 100, 250, 330 и 1000 кВт, планировавшиеся объемы производства ВЭУ которых приведены в табл. 4 [49].
|
Таблица 4 Планы производства ветроэнергетического оборудования МКБ «Радуга* до 1994 г.
|
Установки Р-250 и Р-1000 (как и АВЭ-250 НПО «Ветроэн») проектировались как для параллельной работы с энергосистемой, так и для работы на изолированную нагрузку в составе автономных ВЭС {не связанных с энергосистемой) без аккумулирования энергии.
Однако создание ВЭУ Р-250 кВт впоследствии было отложено на неопределенный срок с возможным перепроектированием ее на мощность 300 — 330 кВт» а намеченные еш 1992 г. изготовление и поставка для Элистинской ВЭС мощностью 20 МВт ВЭУ «Радуга-1 * номинальной мощностью 1 МВт производства Тушинского машиностроительного завода была реализована в виде сигнального образца лишь в конце 1994 г. Поставка и ввод второй и третьей установок повторно планировались соответственно на 1995 и 1996 гг., однако по ряду причин данный проект также не получил своего развития.
В 80-е годы были также разработаны проекты сетевых ВЭУ с вертикальной осью вращения и ветроколесом с нерегулируемыми лопастями ВТО-1250 мощностью 1 МВт и более.
Все указанные ВЭУ разрабатывались в расчете на любые, в том числе на суровые климатические условия, полностью автоматизированными и требующими минимального обслуживающего персонала.
Общая планируемая мощность этих ВЭС составляла более 300 МВт (табл. 5) [25].
Проектировавшиеся в 90-е годы прошлого века отечественные ВЭС
|
Таблица 5
|
При достижении запланированных рубежей СССР и Россия прочно заняли бы лидирующее положение в мировой ветроэнергетике.
На 2005 год в России действуют ВЭС суммарной установленной мощности всего лишь около 14 МВт (Воркутинская — 1,5 МВт. Анадырь — с кая — 2,5 МВт, Куликовская — 5,1 МВт, ВЭС на о. Беринга — 2 МВт, Башкирская — 2,2 МВт, Саратовская — 0,3 МВт), что составляет менее 1% от планировавшихся [25],