Опыт и перспективы развития ветроэнергетики в России

Малая энергетика №1-2

Ветроэнергетика

Малая энергетика № 1 - 2

Малая энергетика № 1 - 2

Малая энергетика №1-2

Ветроэнергетика

ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ

 

Вашкевич К.П., д.т.н., Маслов Л.А. д.т.н., (ЦАГИ) Николаев В. Г., к. ф.-м.н., (НИЦ «Атмограф»

НАГИ)

Наблюдающееся с 70-х годов XX-ro века бурное развитие мировой ветроэнергетики явилось логическим завершением научно-технического прогресса и предыдущего мирового опыта создания и использования ветроэнергетических установок(ВЭУ), в том числе в России.

В статье изложены основные этапы развития и достижения ветроэнергетики в СССР и России XX-го столетия, включая ее «Золотой век» в 1930 - 1960 гг., когда при активной поддержке государства бывший СССР был одним из крупнейших мировых производителей ВЭУ с суммарной установленной мощностью к концу 50-х годов прошлого века более 100 МВт.

Рассмотрены научные (теоретические и экспериментальные) и технические предпосылки создания ВЭУ, наиболее важные изобретения и открытия Российских ученых и инженеров в теории аэродинамики, регулирования, управления ВЭУ, которые заложили основу концепции современных ВЭУ и сделали возможным их широкое внедрение. Полученный в России научный задел, как показывает многолетний опыт, не устарел и сегодня.

Описан государственный опыт организации разработок, испытаний и сертификации ВЭУ, создания индустрии их серийного производства и внедрения в народное хозяйство страны. Приведены наиболее важные модели и образцы ВЭУ, разработанные и серийно выпускавшиеся в СССР и России в 1925 - 1990-х годах. Рассмотрены перспективные, в том числе нереализованные проекты развития и эффективного применения ВЭУ.

Использование энергии ветра имеет в нашей стране большую историю. Заметное распространение ветряные мельницы в России получили уже в XVII - XVIII-м столетиях. Видимо, в немалой степени тому способствовала активная новаторская позиция Петра I, прошедшего технический и ветроэнергетический ликбез в Голландии, передовой в то время страны в данном направлении. В конце XIX-го века в мукомольном производстве России использовалось более 200 тысяч кустарно изготовленных ветряных мельниц небольшой мощности (до 3 - 5 кВт), перемалывавших до 34 млн. т зерна в год (до двух третей товарного зерна страны).

К концу XIX-го века развитие машиностроения 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 дерево-металлических 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-м годах Н.Е. Жуковским и его последователями — В.П. Ветчинкиным, Г. X. Сабининым, Н.В. Кра-совским, А.Г. Уфимцевым, А.В. Винтером и др.

Проблеме использования энергии ветра уделялось большое внимание с первых лет Советской власти. Уже в 1918 г. в Плане государственных научных исследований была подчеркнута необходимость работ Академии наук по проблеме водных и ветряных двигателей и их активного использования в сельском хозяйстве. Актуальность ветроэнергетики была связана с потребностью автономного энергоснабжения разбросанных на больших территориях и вдали от имеющихся и проектируемых линий электропередач потребителей (в основном сельскохозяйственных) малой мощности (до 10 кВт). Применение для этих целей энергоагрегатов на жидком топливе часто не оправдывало себя из-за их малого моторесурса, трудностей доставки топлива и организации служб эксплуатации.

Значительная часть проблем малой энергетики в отдаленных районах могла быть успешно решена за счет использования энергии ветра. Несмотря на ее непостоянство и неравномерность во времени, ВЭУ оказывались весьма эффективными для механизации трудоемких процессов в первую очередь в сельскохозяйственном производстве: подъеме воды, осушении земель, помоле зерна, приготовлении кормов в скотоводстве, а также для освещения и электропитания бытовой и маломощной производственной техники.

 

В период 20 - 30 -х годов усилиями российских ученых и специалистов были разработаны основы теории и методики расчета идеального и реальных ветродвигателей, определены оптимальные аэродинамические профили лопастей ветроколес, разработано множество схем и типов конструкции ВЭУ, накоплен огромный опыт продувок и экспериментальных испытаний натурных образцов и моделей ветродвигателей.

В огромной степени этому способствовали экспериментальные исследования характеристик ветродвигателей в аэродинамических трубах и в природном ветровом потоке, проводившиеся в ЦАГИ с 20-х годов прошлого века (рис. 1) [5].

Развитая теория и практические результаты определили основные направления, качественные и количественные принципы и перспективы развития отечественной и мировой ветроэнергетики XX века.

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. Ветчинки-ным, Н.В. Красовским системы механического стабилизаторного и инерционного регулирования ВЭУ [2, 3] обеспечивали выравнивание скорости вращения ветроколеса с точностью до 2% от расчетного вне зависимости от высокочастотных долей минуты) пульсаций ветра и нагрузки на ветродвигатель. Разработка лопастей с концевыми поворотными стабилизаторами (Г.Х. Сабинин, 1924 г.), 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 10-летний 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 (ВЭС Д-10, 1Д-12, 1Д-18 и Д-18). А.Г. Уфимцеву принадлежат также идея теплового аккумулирования (за счет нагрева воды при избытке ветровой энергии и при слабых ветрах с последующим использованием ее для бытовых нужд), а также далеко обогнавшая свое время идея и разработка в 1918 г. принципа водородного аккумулирования [5]. Отечественными учеными был развит также ряд перспективных схем гидравлического (совместная работа ВЭУ и ГЭС, создание наледей в зимний период и пр.) и пневматического аккумулирования ветровой энергии [1].

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 стра-гивание при малых скоростях ветра.

Неразрывно с научной и изобретательской деятельностью активно велись работы по практическому созданию и внедрению ветродвигателей. В 1924 г. в ЦАГИ под руководством Н.В. Красовского был создан быстроходный ветродвигатель мощностью до 35 кВт с прогрессивной системой механического регулирования, разработанной Г.Х. Сабининым.

К концу 20-х годов были разработаны и налажено серийное производство тихоходных ветродвигателей ВД-5 и ВД-8 для водоподъема и механического привода ряда сельхозмашин, модернизованных и доведенных впоследствии до массового серийного производства в виде более совершенных конструкций ТВ-5 и ТВ-8. Позднее была разработана конструкция быстроходного трехлопастного ветродвигателя Д-12,

 

использовавшегося, помимо сельского хозяйства, 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 (рис.2), проработавшая до 1942 г. (взорвана в связи с немецкой интервенцией).

Спустя несколько лет в Центральном ветроэнергетическом институте (ЦВЭИ) был разработан и в 1935 году утвержден Наркомтяжпромом

СССР проект сетевой ВЭУ ЦВЭИ-Д50 мощностью 1000 кВт (рис. 3). Проект не был реализован в связи с началом войны и вновь рассмотрен и одобрен в 1945 г. применительно к созданию ВЭС из 10 агрегатов ЦВЭИ-Д50 с номинальной мощностью 10 МВт для ряда районов с высоким ветроэнергетическим потенциалом. Разработанные проекты оказались не реализованными в связи с трудностями организации централизованного производства в послевоенный период.

В создании ВЭУ участвовали многие научно-исследовательские организации: Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ с 1918 г.), Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ с 1930 г.), Всесоюзный институт механизации сельского хозяйства (ВИМ с 1936 г.), Всесоюзный институт сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ, включая КБ по ветродвигателям, с 1938 г.), Всесоюзный институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), Всесоюзный НИИ электромеханики (ВНИИЭМ), Централь ная научно-исследовательская лаборатория вет-роиспользования (ЦНИЛВ), Научно-производственное объединение "ВЕТРОЭН", Украинский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (УНДИ).

На производстве ВЭУ специализировался целый ряд промышленных предприятий: Механический завод им. 25 лет КазССР (пос. Комсомолец Кустанайской обл.), завод "Урал" Министерства местной промышленности РСФСР (г. Молотов), завод Министерства местной и топливной промышленности КазССР (г. Семипалатинск), завод им. Петровского (г. Херсон), завод им. Медведева (г. Орел), механический завод (г. Уральск), завод Главсевморпути (г. Красноярск), опытно-экспериментальный завод "Ветроэнергомаш" (г. Астрахань), завод "Ильмарине" (г. Таллин).

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 гг.в СССР было спроектировано и введено в эксплуатацию около 3000 ВЭУ типа ВД-5 - ВД-8. К 1938 г. было налажено крупносерийное производство ВЭУ мощностью 1,8 - 4 кВт, суммарный выпуск которых в предвоенный период составил = 10000 ед.

Технические характеристики ветродвигателей, разработанных и серийно выпускавшихся в СССР с 1925 по 1950-е годы приведены в табл. 1.

Активному развитию довоенной отечественной ветроэнергетики способствовала созданная

 

в 1935 г. Государственная межведомственная комиссия по проведению сравнительных испытаний и отбору ВЭУ для их серийного производства и внедрения, в результате работы которой были отобраны 3 типа ВЭУ и организовано их массовое производство на специализированном заводе им. Петровского в г. Херсоне, продолжавшееся до 1941 г.

Наряду с активными разработками ветроэнергетической техники параллельно велись активные работы по исследованию ветроэнергетического потенциала и созданию ветровых кадастров страны. В 1935 году был выпущен первый Атлас ветроэнергетических ресурсов (ВЭР) СССР [5]. Ему предшествовали многолетние флюгерные измерения скорости ветра на метеорологической сети СССР и обстоятельный анализ полученных данных в новаторских работах отечественных авторов [6, 7]. Важнейшим достижением отечественной метеорологии явилась разработанная в середине 30-х 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 и более перспективная для моделирования ВЭР на территории бывшего СССР.

В 30 - 60-х годах прошлого века СССР был одним из мировых лидеров в эксперименталь

 

ной метеорологии и имел одну из самых развитых в мире систем метеорологического мониторинга, базировавшейся на измерениях параметров (в том числе и ветра) в приземном слое атмосферы более чем на 3500 метеорологических и = 150 станциях СССР. На основании статистических исследований накопленных данных были выявлены наиболее перспективные регионы для использования ВЭУ на территории СССР (побережья морей Тихого и Северного Ледовитого Океанов, Казахстан, Украина, Крым и др.). По запасам ветроэнергетических ресурсов СССР занимал, как показывали исследования, уникальное место в мире, что давало все основания для развития массового производства и применения ветротехники.

Необходимость «обеспечить массовое строение ветростанций» неоднократно отмечалась в Резолюциях XVIII (1938 г.) и XIX (1946 г.) съездов партии и пятилетних планах развития народного хозяйства страны, исполнение которых подкреплялось соответствующим финансированием проектов и строгим контролем за их исполнением.

В 1940 г. по постановлению Правительства СССР Гипросельмаш начал проектирование нескольких специализированных заводов для массового производства ВЭУ. Однако в связи с войной в 1941 г. эти работы, а также производство ВЭУ были свернуты.

В послевоенный период в короткие сроки было организовано серийное производство ветродвигателей ТВ-5, ТВ-8, Д-12, УНДИМ Д-10. Активно возобновились работы по ветроэнергетики в ЦАГИ, ВИЭСХ, ЦНИЛВ, ЭНИН АН

СССР и др. Были разработаны и выпущены опытные партии ветродвигателей ВЭС Д-18, 1Д-18 мощностью 30 кВт.

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-18 конструкции ЦАГИ, позволившей изучить особенности режима совместной работы на общего потребителя нескольких ВЭУ и подтвердить эффективность идеи создания кустовых ВЭС. Работая в автономном режиме без системы аккумулирования, ВЭС обеспечивала электроэнергию достаточно высокого качества благодаря высокоэффективному аэродинамическому регулированию ветродвигателя 1Д18 и использованию инерционного аккумулятора по схеме Уфимцева-Ветчинкина. Так, при изменении скорости ветра минутных масштабов с 5 до 10 м/с напряжение на генераторе изменялось не более чем на 10 %. Весьма полезным уроком является организация производства ветродвигателей 1Д-18 на машиностроительном заводе в г. Алма-Ате, заслуживает внимания также монтаж сложных 12-тонных и 20-метровых конструкций ВЭУ без использования специальной подъемной техники.

В целях расширения базы использования ВЭУ, выпускаемых отечественной промышленностью, с 1950 г. государство ввело льготное финансирование на покупку ВЭУ. Для приобретения и монтажа ВЭУ сельхозбанки предоставляли кредит в размере 75 % денежных затрат (колхозам, испытывающим финансовые затруднения, — до 90%) сроком на 10 лет с погашением начиная с третьего года после выдачи кредита. Эти меры позволили в 1950 -1956 гг. резко увеличить спрос на ВЭУ и, соответственно, расширить их производство.