Как обстоят дела с «зеленой» энергетикой в мире и в России? С какими трудностями можно столкнуться при эксплуатации и утилизации ветряков? Как построить ветрогенератор, который будет готов к самым различным условиям окружающей среды? На эти и другие вопросы отвечает доцент ИФИ, специалист в области ветроэнергетики Артем Третьяков.
– Актуальна ли сейчас тема альтернативных источников энергии?
– Да. С одной стороны, она перспективная, а с другой – смотря о какой стране мы говорим. В нашей стране распространены ресурсы традиционные: газ, нефть. За границей очень развита альтернативная энергетика – несмотря на то, что там меньше места, практически все доступные площади заняты ветроустановками. Франция и Германия решили переходить на «зеленую» энергетику. Турция не хочет – они у России две атомные станции решили заказать. В Китае наши строят одну станцию, в Индии.
– Есть ли какие-нибудь примеры работы компаний в этой области?
– Например, предприниматель Ладжервей из Норвегии, столкнувшись с последствиями урагана, решил, что такую энергию надо применять с пользой. Однако созданная им фирма три раза банкротилась, потому что ветер – нестабильное явление. Сейчас компания «Ладжервей» производит циклопические установки, собирает их с помощью огромных кранов: поднимают уже собранные со ступицей лопасти и генератор для соединения с гондолой, а «Сименс», наоборот, гондолу, ступицу и генератор собирает на земле, а затем на баржах такую конструкцию перевозит к месту установки и стыкует с лопастями, транспортируемыми отдельно. Компания «Сименс» активно занимается ветровой энергетикой – приобретает инфраструктуру, конструирует уже второе судно – контейнеровоз для перевозки огромных гондол по морю. Из этого мы видим, что в альтернативную энергетику вкладывается много денег.
– И где подходящее место для установки ветряков?
– На шельфе (выровненная подводная часть, примыкающая к материку – прим. ред.). Там хороший ветер, ничего не мешает, нет вреда для окружающей среды. С другой стороны, европейские государства столкнулись с тем, что ветряки плотно заняли прибрежные территории: они задерживают поток воздуха, который ночью должен охлаждать сушу, и происходит перегрев прибрежных зон.
– А еще что может негативно влиять на использование ветряков?
– Изменения погоды. Например, в Техасе в 2021 году выпал снег, что нехарактерно для этого региона. Ветряки обледенели, начались веерные отключения. Но многие страны все равно переходят на «зеленую» энергетику, потому что те же атомные станции требуют затрат на строительство и обслуживание, а ветер как будто бесплатный.
– А в России что происходит с альтернативной энергетикой?
– «Росатом» занялся этим. До 2022 года «Ладжервей» поставлял ветроэнергетические установки, и было построено примерно 2200 мегаватт мощности. В основном строят в Ставропольском крае и там, где есть степи и побережье. В Волгодонске переоснастили завод и стали производить лопасти, ступицы, башни, и уже почти все делают у нас.
– Есть ли особенности ветряков в России?
– Максимально упростили конструкцию ВЭУ: убрали мультипликатор, сложную систему управления; используют генератор, по сути, как на гидростанциях. Он плоский и очень большого диаметра и с постоянными магнитами в качестве возбудителей.
– Какие проблемы при создании ВЭУ существуют?
– Сейчас это огромные устройства с медленно вращающимися лопастями (примерно один оборот в минуту). Генераторы имеют огромные массы, на постройку уходит много меди, магнитной руды, чугуна и стали. И большой вопрос: как это потом утилизировать? Если чугун можно переплавить, то лопасти сделаны из композитных материалов, и пока их сложно переработать – это вопрос будущего. Но мы видим и проблемы при утилизации атомного топлива. И, мне кажется, гораздо большие, так как надо потратить много энергии для его переработки.
– А у России есть выгода использовать «зеленую» энергетику?
– Сейчас вклад менее 1% от всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Есть планы получить через пять лет 1,7% от вклада в энергетику. Тогда смысл в чем? Я думаю, из-за соглашения по климату, в силу которого нужно стремиться к уменьшению выбросов СО2 в атмосферу. Считаю, что, хотя ветроэнергетика не будет главенствующей, со временем ветряки займут свою нишу.
– То есть перспективы развивать в России альтернативную энергетику есть?
– Мы делаем это, хотя не так активно, как в других странах. Запад идет по пути упрощения конструкции и увеличения количества ветряков так, что они уже сталкиваются с нехваткой территорий и терпят связанное с этим изменение климата. Они постепенно переходят от экстенсивных к интенсивным технологиям – с более высоким КПД, разбирают старое и ставят на это место новое. Особенность нашей страны в том, что у нас много неиспользуемых площадей, производители ветроэлектростанций еще не столкнулись с проблемой перенасыщения. Соответственно, можно ставить и примитивные, и сложные устройства. Главное, не впадать в крайности.
– Расскажите о своем вкладе в ветроэнергетику.
– Замечаем, что современные циклопические ветрогенераторы в принципе не очень эффективны. С помощью постоянных магнитов плохо регулируется возбуждение, но ведь, с одной стороны, потребитель меняет нагрузку, а с другой – ветер изменчив. Устройство должно уметь адаптировать свою работу с двух сторон. Такие генераторы могут работать только с постоянной частотой вращения ведущего вала. Чтобы стабилизировать работу генератора на такой установке, приходится уменьшать коэффициент использования ветра, что в свою очередь снижает КПД всего ветряка.
В 2024 году мы получили свидетельство на программу стохастического моделирования конструкционных параметров горизонтально-осевого ветрогенератора. Она работает в виде консольного приложения. Можем посчитать аэродинамический момент для любого профиля. Этот момент используется для получения электроэнергии в модели. Однако модель еще не совершенна, например, мы не всегда видим сбои в построении сетки аэродинамических коэффициентов, нам доступно только выдаваемое предупреждение, что программа не будет дальше считать.
Сейчас ждем получения патента на изобретение, в котором представили идею по увеличению КПД ветряка, и при этом хотим сохранить функциональность, практичность и надежность ветряка.
В своей разработке мы предлагаем поставить между ветроколесом и генератором муфту с электромагнитной связью. Воздействуя на вал генератора, мы сможем регулировать скорость вращения генератора, адаптируясь к изменчивости ветра и изменчивости нагрузки.
– А в чем преимущество вашей программы?
– Программа моделирует работу системы ВЭУ. Сейчас популярна идея не создавать сразу готовую промышленную установку, которая в принципе может не заработать, для начала необходимо ее тщательно промоделировать. Поэтому мы действуем так же: ничего не делаем в железе – делаем в модели. Еще появился термин «цифровые двойники» – такое моделирование, которое сопровождает изделие в течение всего жизненного цикла. Для этого делается модель, в которую закладывается не только известное в теории, но и параметры, снятые с реально работающей системы. Для этого на ней устанавливают датчики давления, температуры, угловых скоростей и прочее. В таких моделях можно создавать нестандартные ситуации, имитировать поломки, выходы в нережимные условия. В модели удобно использовать много вариантов, что в итоге должно сэкономить средства.
– Удобный инструмент?
– Есть мнение, что это еще и время экономит. Но экономия времени здесь – философский вопрос. Потому что, как я вижу, время моделирование не экономит – можно моделировать годами и не выявить ту проблему, которая случится в жизни. Некоторые студенты смотрят на меня удивленно, когда я говорю, что моделирование интересно. Но чего пугаться? Эти формулы, ряды Тейлора, Фурье – всё это сейчас компьютеры считают и не надо делать это вручную, как раньше. Поменялись коэффициенты, программа пересчитала и нашла новый оптимум. Эффективнее применять системный подход.
– Кто составляет ваш коллектив?
– Помимо меня, это по сути менеджер нашего проекта – директор ИФИ Оксана Ивановна Пискунова и студенты: выпускник Кирилл Кружков, обожающий электронику, амбассадор проекта Даниил Авдеев и универсальный программист Даниил Молчанов.
– А что вызывает у вас интерес в ветроэнергетике, почему вы этим занимаетесь?
– Моей первой специальностью была «нетрадиционные источники энергии». Преподаватели: Ю.А. Кашфразиев, В.Я. Завертайло, Марк Абрамович Ружинский, Э.М. Абадеев, Анищенко Николай Григорьевич – они преподавали аэродинамику, теорию управления и электроэнергетику, в том числе ветроустановок. И так меня этим увлекли, что я писал диплом по проектированию ветряка. А потом перешел на авиатематику, защитил кандидатскую диссертацию по авиауправлению. Проработал в авиации 18 лет. Около пяти лет назад меня пригласили преподавать на направления «электоэнергетика» и «авиастроение». А еще мое второе образование – в области системного анализа – дает возможность улучшать управление, оптимизировать процессы. Можно так выразиться: есть грубый слой, когда управление производится, чтобы система не развалилась, не ушла с заданной траектории. И есть задача, например, чтобы ветроколесо крутилось с определенной частотой или плавно ее меняло. На этот слой можно наложить ещё слои – более детального управления, улучшить некоторые моменты, снизить или устранить колебания, сделать более гладкими и красивыми переходные процессы. Это уменьшает расход энергии и улучшает КПД. И эта тема постепенно затягивает меня, я начинаю использовать новые и постоянно развивающиеся методы: адаптивные системы, системы с переменной структурой, нейросети. Мой научный руководитель Ружинский в свое время заложил идею, что нужно заниматься исследованием, строя графики. Если мы видим взаимосвязь параметров, то лучше представить ее графически, чтобы это было наглядно и тебе, и руководителю, и студентам, и заказчику. Так возникают задачи исследования, где одному не справиться. Так рождается группа задействованных ученых, а результаты оформляются в патент, в программу. Считаю, что для развития науки не обязательно наличие заказчика. Как правило, человек исследует для себя, для собственного интереса, а потом оказывается, что это полезно. Вот таким образом и происходит открытие.
– Возле Иваньковского водохранилища есть ветрополигон. Используете ли его для практики студентов?
– В процессе работы мы пользовались данными по ветрам, снятыми с этого полигона. Сейчас на нем в основном занимаются исследованиями систем питания от солнечной энергии.
– А можно ли использовать для нужд Дубны ветровую энергию с полигона? Например, питания фонарей.
– Для них используются солнечные панели. Для применения ветра нужны большие открытые пространства. Например, полигон стоит на косе, считается, что там есть ветер. Однако он всего 3 м/с. А необходимо от 3 м/с и больше, где-нибудь 9−10 м/с. Чтобы этого достичь, нужна высота башни метров сто. В этом смысл больших конструкций. Но на ограниченных территориях они небезопасны – шум и риск разрушения, падения фрагментов лопастей.
– Видите ли вы заинтересованность студентов в исследовании энергии ветра?
– Да, вижу. Обычно интерес проявляется к четвертому курсу и диплому. Например, наш студент Александр Логинов предложил идею электронной системы, которая осуществляет резервирование устройств, т.е. в случае неисправности одного устройства система автоматически переключается на другое. Это применимо в областях, где необходимо бесперебойное питание, например, системы связи, медицинская техника, энергетика.
Текст: Юлия Цепилова
Фото: Юлия Цепилова; фрагменты презентации Артема Третьякова