Все выше и выше: перспективы высотной ветроэнергетики

Ветроэнергетика хорошо зарекомендовала себя как коммерчески выгодная технология. Современные ветровые турбины достигают высоты 100-120 метров, а единичная установленная мощность доходит до 3 МВт и больше. Есть ли перспективы дальнейшего развития?

Конечно есть и не в последнюю очередь тем, что наземное расположение ветроустановок накладывает ряд ограничений:

• на приземные воздушные потоки серьезно влияет рельеф, подстилающая поверхность и препятствия. ВЭУ, расположенная в неудачном месте, не будет работать эффективно. Проблема частично решается увеличением высоты башни, но здесь есть предел;
• количество пригодных земельных участков сокращается. Не всякий участок пригоден для установки с точки зрения геологии. Да и не всегда местные жители рады видеть рядом с домом постоянно работающую машину.

Каков выход? Один из перспективных путей — использование энергии высотных воздушных течений. Исследования с обобщением по специальным программам сведений полученных в прошлые десятилетия, привели к следующему выводу. Это большой источник энергии течений в атмосфере до высот 20 км и более, их мощность составляет 870 ТВт (терават), что значительно больше, чем 17 ТВт — текущий глобальный спрос на энергию. Использовав всего ~2% от этого потенциала, и потребляемая мощность увеличится в два раза. Экспериментальные исследования на Западе уже ведутся на высотах, где скорость потоков 15-30 и даже 40 м/с. Большой потенциал мощности несут струйные течения (СТ).

Это потоки шириной от 300 до 3000 км, вертикальной протяженностью 8-12 км. В длину они простираются на несколько тысяч километров, а иногда опоясывают весь земной шар. Скорость потока в них составляет в среднем 45-55 м/с, а на высоте ~10 км максимальная скорость может достигать ~100 м/с и более.

Если сравнить мощность наземных ветростанций Украины, где среднегодовая скорость ветра 6,5м/с и скорость потока на Н=8000 м V=40 м/с, то мощность на высоте с учетом падения плотности воздуха будет больше в 100 раз. Второй существенной особенностью сильных воздушных ветров и, в т.ч. и струйных течений, исследователи указывают на их высокую стабильность. Это важно как для оценок объемов выработки электроэнергии, так и для надежности работы систем, которые поддерживают ветроэлектрическую установку (ВЭУ) на высоте. Эти оценки в виде доступности (по времени или ровно % времени) к плотности энергии ветра (кВт/м2) в зависимости от высоты над уровнем моря, построены на Западе для разных городов как например для Нью-Йорка, Сеула и др.

Системные исследования подобного плана в Украине, судя по всему, не проводились. Предварительные сведения о воздушных течениях над территорией Украины дают обнадеживающие результаты. Так, например, над Одессой установлено формирование струйных течений низких уровней (СТНУ) на высоте в пределах 200-1500 м. Чаще всего низкая струя располагается на высоте 400-500 м, в зависимости от рельефа местности. Скорость ветра низкой струи колеблется летом на высоте 200-300 м с интенсивностью 16–17 м/с, зимой на высоте 500-600 м (18–19 м/с). По принятой выше оценке эта мощность в 12 раз больше «земной», однако при учете вероятностей доступностей к этим ветрам это отличие несколько уменьшится. Зарубежные исследователи с учетом вероятностных характеристик называют показатель в 8 раз.

Зарубежные специалисты, создавая и испытывая «летающие турбины» утверждают: использование больших энергий высотных потоков доступно через использование известных технологий, т.е. не требуется никаких фундаментальных научных крупных достижений.

Высотная ВЭУ или «летающий генератор» (FEG) – это генерирующий узел: винт, генератор и оборудование, установленные на крыло, дирижабль, воздушный шар и даже высотный змей. Такая система привязана к земле тросом, который передает электроэнергию на «землю». Уже разработаны волокна с высокой электропроводностью, которые допускают максимальное напряжение 3500 кг/мм2, с плотностью 35 г/см3. Разрабатываются нормативные документы совместной работы «летающих» ВЭУ и даже ветроэлектрических станций (ВЭС) мегаваттного класса в «содружестве» с самолетами и вертолетами.

Ниже приведены примеры летающих генераторов, разработанных за рубежом.

Винтокрыл-генератор Sky Windpower связанный с землей кабелем. Испытания натурных моделей показали, что «самолет» на привязи Sky Windpower на высоте 15 000 футов (4600 м) и выше может генерировать до 40 МВт. Такие FEGs уже предусмотрены для коммерческого производства электроэнергии мощностью в диапазоне 3-30 МВт. Корпорация Sky заявляет что, после полного развития этой технологии, производимая этой системой энергия может стоить по два цента за кВт*час или меньше.

Makani Airborne Wind Turbine — высотная ВЭУ представляет привязное крыло и может летать на высоте между 250 и 600 метров (800 и 1,950 футов). На Makani установлены ветроприемные устройства по типу маленьких паровых турбогенераторов, их суммарная мощность равна 600 кВт. Технология Makani получила поддержку американского правительства, а компания Google приобрела ее для питания собственного оборудования.

Бортовая ветротурбина Joby Energy мощностью 5 МВт будет летать на высоте около 2000 футов (600м) и производить мощность, которая будет передаваться на землю через привязь.

Конечно, для широкого использования этой технологии предстоит решить ряд проблем. Таких как, например, безопасность эксплуатации высотных ветроагрегатов и передача/аккумуляция энергии.

Comments

comments