Одним из перспективных направлений развития возобновляемой энергетики является ветроэнергетика. Ученые Южно-Уральского государственного университета добились значительных результатов в этом направлении. Аспирант кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Политехнического института ЮУрГУ Евгений Сироткин принимает участие в создании ветроэнергетических установок, которые могли бы работать в суровых арктических условиях.
Ветроэнергетика — один из самых перспективных способов получения энергии. Этот источник не только экологически чистый, но и неисчерпаемый. Евгений Сироткин проводит свои исследования в области ветроэнергетики в международном инновационном центре «Альтернативная энергетика» под руководством Евгения Соломина, профессора, доктора технических наук. Работа над этим актуальным проектом позволила Евгению стать одним из победителей конкурса «Научная перспектива», проведенного в ЮУрГУ в рамках Проекта 5-100.
«Ветроэнергетическая установка – это устройство, которое преобразует набегающий поток ветра в электрическую энергию. Набегающий поток ветра заставляет вращаться ротор ветроустановки, кинематически соединенный с электрическим генератором, который при вращении вырабатывает электроэнергию. Все ветрогенераторы делятся на 3 основных класса: крупные (мощностью свыше 1 МВт, как правило, высота таких установок превышает 100 м), которые можно часто встретить в Европе, в Китае), средние (от 100 кВт до 1000 кВт), и малые мощностью до 100 кВт. Мы проводим исследования как раз на малой ветроустановке», - рассказывает Евгений Сироткин.
В России стоимости ветровой электроэнергии тяжело конкурировать с электроэнергией, которую производят на электростанциях, перерабатывающих углеводороды, так как наша страна богата газом и нефтью. Но ветроэнергетическим установкам есть место там, где нет центральных электросетей. В основном это Арктика, северные территории страны и Дальний Восток. Расположенные там объекты не очень большие, поэтому электроэнергии для них требуется не так много. Здесь выгодно использовать именно малые ветроустановки.
«Сейчас такие объекты преимущественно снабжаются энергией от дизельных генераторов. Но стоимость энергии, получаемой на таких дизельных генераторах в Арктике, в некоторых случаях может достигать 80 рублей за кВт·ч. Для сравнения, в Челябинске стоимость электроэнергии в среднем составляет 2 рубля за кВт·ч. Кроме того, дизельные генераторы не предназначены для того, чтобы 365 дней в году работать в суровых условиях. Стоимость электроэнергии, получаемой от ветроустановок, составит всего от 5 до 10 рублей за кВ·ч», - говорит молодой учёный.
В части районов прибрежных арктических зон скорость ветра превышает 5-7 м/с, что считается крайне благоприятным условием для экономически эффективного использования энергии ветра. В основном ветроэнергетические установки учёные предлагают использовать для нужд безопасности на военных базах, для систем слежения и так далее. Задача южноуральских учёных заключается как раз в том, чтобы ветроэнергетическая установка пережила суровые арктические ветровые нагрузки, так как при скорости ветра выше 11 м/с нужно ограничивать мощность на ветроколесе.
«Что может произойти, если не управлять мощностью? Может произойти разрыв лопастей из-за того, что колесо начинает очень быстро раскручиваться: центробежные силы разрывают лопасти и ветроколесо разрушается. Может произойти перегрев электрического генератора вплоть до возгорания. При большой скорости ветра (выше 25 м/с) гарантировано произойдет разрушение ветроустановки, – поясняет Евгений Анатольевич. – Могут погибнуть люди или может быть нарушено энергоснабжение важных объектов. Наша задача заключается в том, чтобы сделать электромеханическую систему управления, которая могла бы при необходимости подтормаживать ветроколесо, не давать установке раскручиваться до предельных скоростей».
Уникальность системы, разработанной командой учёных, заключается в том, что она расходует очень мало электроэнергии на торможение. Все происходит полностью автоматически. Система управления состоит из механического и электрического блоков, программируемого микроконтроллера, а также набора датчиков для мониторинга текущего состояния основных компонентов ветроустановки.
«Система, которую мы делаем, не имеет аналогов в мире. У нас в планах создать малое инновационное предприятие, которое бы и занималось выпуском этих систем. В Арктике такая система может окупиться за неделю или за месяц – после первого ураганного ветра. Ветроустановка с разрабатываемой системой управления сможет эксплуатироваться в любой ураган, а без системы управления выйдет из строя. И вся стоимость электромеханической системы будет составлять всего 2-3 процента от стоимости ветроустановки, а срок её службы составит 35 лет», – объясняет Евгений Сироткин.
Несомненно, для производства ветроэнергетических установок нужны большие производственные мощности: цех по отливке лопастей, цех по изготовлению генератора, цех по изготовлению металлоконструкций. Поэтому было решено, что головным предприятием, где будет происходить итоговая сборка ветроустановки, станет крупное оборонное предприятие, с которым уже ведется совместная работа. Коллектив ученых ЮУрГУ будет производить системы управления, как штатную, так и электромеханическую, и поставлять для конвейера готовые продукты.
«Кроме того, мы ведем совместную научную работу с американскими лабораториями, которые участвуют в разработке этой ветроустановки. Сотрудничаем с японцами, которые хотят развивать направление вертикально-осевых ветроустановок. Горизонтально осевые ветроустановки уже давно разрабатываются, их конструкции хорошо отлажены и отработаны. А вот вертикально-осевые только начинают развиваться и здесь очень большое поле для исследований. Их можно размещать на крышах зданий, вблизи жилых объектов, так как они не создают вибраций, не создают инфразвуковых шумов», - делится аспирант ЮУрГУ.
В планах Евгения Сироткина по окончанию аспирантуры через два года защитить кандидатскую диссертацию по этой теме. Евгений участвует в международных конференциях и ведет активную публикационную активность. Уже опубликовано 6 статей в высокорейтинговых научных журналах, индексируемых Scopus и Web of Science, таких как “Journal of Physics” и “Mechanisms and Machines”.