Внушительная часть населения России проживает в районах с полярным климатом. Основная особенность этих территорий — длительная зима до 300 дней в году и низкие температуры воздуха до -50 ºС. Здесь наблюдаются сильные ветра практически в любое время года. Для северных районов характерной особенностью является повышенное потребление тепла и электричества объектами жилого и промышленного назначения.

Метеорологические наблюдения свидетельствуют, что в этих местностях сконцентрирован значительный ветроэнергетический потенциал. Однако использована может быть только его незначительная часть. Причинами этого являются невысокая плотность населения, неравномерное распределение промышленных объектов-потребителей электроэнергии по территории, недостаточно развитая инфраструктура, приоритетное применение дизельных электростанций.

Повышение надежности, автономности, экономичности и экологичности энергоснабжения объектов различного назначения и населения в удаленных местностях Севера и Дальнего Востока — одна из приоритетных задач государства в области повышения энергоэффективности. Ни в России, ни в других странах мира до сих пор нет технически обоснованных инноваций для решения проблем автономного энергоснабжения в северных местностях.

В мире отсутствует реальный опыт экономного и безопасного использования автономных источников энергии на базе совмещения ветроэнергетических установок (ВЭУ) и систем сбора и преобразования энергии на пневматическом принципе.

Приоритетная цель современных исследований — разработка эффективных решений энергосбережения на основе полученного мирового и отечественного опыта, а также конструирование опытного образца энергетической установки получения сжатого воздуха с помощью ветроэнергетических установок и пневматического преобразования воздушных масс для создания бестопливной системы получения электричества и тепла.

Для достижения эффективности и достоверности результатов исследования авторы используют только проверенные методики определения климатических характеристик региона и эффективности ветроэнергетических установок. Благодаря этому можно определить оптимальный состав параметров энергокомплекса, позволяющего аккумулировать энергию устройств за счет использования сжатого воздуха в качестве энергоносителя.

Для определения требований к ветроэнергетическим установкам и систем сбора сжатого воздуха изначально разработаны методические основы моделирования временного и пространственного потенциала в суровых условиях Заполярья. В основе разработанных методик лежат физико-статистические методы моделирования на базе сведений о пограничном слое атмосферы и геофизических характеристиках Земли. Эта информация была получена благодаря многолетним спутниковым, метеорологическим, геофизическим испытаниям.

Преимущества использования ветроэнергетических установок

Использование энергии ветра для выработки тепла и электроэнергии в северных районах страны имеет ряд положительных моментов. Во-первых, плотность холодного ветра больше, чем теплого. При одинаковой скорости в условиях суровой зимы можно выработать больше энергии. Мощность пропорциональна плотности воздуха. При снижении температуры до -15 ºС выработка энергии увеличивается на 11%. Однако при падении давления до 730 мм выработка может сократиться на 5-6%. Это означает, что при нестабильных климатических условиях получить дополнительную энергию очень сложно.

Во-вторых, в арктических регионах наблюдается повышенное удельное потребление тепла и электроэнергии.

В-третьих, в северных регионах достаточно завышены тарифы на тепло и электроэнергию.

Особенности зимы в Заполярье

В исследовании ветровой режим оценивался с помощью метода теоретического моделирования ВЭП и производительности ветроэнергетических установок по данным измерения ветра и термодинамических параметров на метеорологических станциях России и стран СНГ.

К основным задачам поиска эффективных решений в области энергосбережения в отечественном Заполярье относят:

• изучение климатических факторов, ветроэнергетического потенциала для создания специальных ВЭУ, преобразовывающих сжатый воздух, с целью создания бестопливной системы выработки тепла и электроэнергии;
• усовершенствование ветроэнергетических установок под суровый климат отечественного Заполярья;
• создание инновационных технологий выработки сжатого воздуха и его преобразования для производства электроэнергии и тепла;
• практическое внедрение полученных научно-технических достижений для разработки опытного образца эффективного комплекса мощностью 8-10 кВт;
• техническое и экономическое обоснование вложения средств в инновационные схемы энергоснабжения на основе разработанных принципов на Севере и Дальнем Востоке России с учетом природно-климатических условий в этих местностях;
• расчет емкости рынка сбыта разработанного энергетического комплекса.

Проблемы внедрения ветроэнергетических установок

Развитие ветроэнергетики в северных районах сопряжено с большим количеством трудностей. В первую очередь они связаны с доставкой ветроэнергетических комплексов и установкой их на строительной площадке. На большей территории севера инфраструктура развита слабо: отсутствуют дороги, промышленные объекты и т.д.

При строительстве крупного ветропарка потребуются дополнительные капитальные затраты на возведение инфраструктуры. Если в планах возведение только нескольких небольших установок, то можно ограничиться доставкой ветроэнергетических комплексов воздушным, автомобильным или железнодорожным транспортом.

Суровые климатические условия сокращают сроки строительства до 3 месяцев. Однако на территории Севера благодаря полярным дням работы можно вести круглосуточно. Профилактические работы следует планировать также на лето.

Стандартные требования к ветроэнергетическим установкам сформированы на основе мирового и отечественного опыта. Их достаточно согласовать под конкретную климатическую специфику региона.

Общими требованиями являются: применение хладостойкой стали, синтетической смазки для подшипников, системы обогрева метеорологических датчиков и т.д.

Техническое и экономическое обоснование внедрения ВЭУ

На основе теоретической методологии оценены ветроклиматические условия работы и требования к инновационным установкам на основе энергии ветра, а также определены предельно допустимые объемы системы сбора сжатого воздуха.

Полученные результаты являются основой для высокоточного моделирования элементов ветровых установок в любой координатной точке Заполярья и расчет параметров изменчивости с масштабами от пары минут до нескольких лет. Предельно допустимая погрешность составляет 15-17%. Методики отлажены и испытаны в важных пунктах Севера: Анадыре, Тикси, Певеке и т.д. На рисунке 1 представлены расчетные высотные профили скорости ветра в населенном пункте Тикси.

На этапе определения методики моделирования и разработки на ее основе пространственно-временной структуры потенциала ветра были получены следующие результаты и выводы:

1. Ветроэнергетический потенциал практически у всех рассмотренных населенных пунктов Заполярья может быть использован для промышленного использования. Среднегодовые скорости ветра варьируются от 7 до 9 м/с, а удельные мощности ветра вблизи северных портов — до 900 Вт/м2. Среднее число часов функционирования ветроэнергетических установок составляет от 3000 до 3600.
2. Чтобы создать источники автономного энергоснабжения необходимо разработать специальные ветроэнергетические установки под северные климатические и геофизические условия.
3. Длительность интервалов с нормальной мощностью ветра, периоды слабого ветроэнергетического потенциала или периоды отсутствия ветра можно определить с помощью функции вероятности распределения энергии ветра по скоростям на основе статистического анализа временных рядов многолетних геофизических и метеорологических измерений. На рисунке 2 представлена плотность распределения длительностей штилей вблизи поселка Тикси (вероятностный анализ).

Разработка методологической базы исследования

Для разработки научно-технической методологии, подходящей для источников автономного энергоснабжения, и определения параметров к системам сбора, преобразования и использования энергоносителя были проведены следующие мероприятия и получены конкретные выводы.

1. Изучены графики потребления тепла и электричества жилыми и промышленными объектами Заполярья. На основе их анализа были выявлены критерии оценки энергоэффективности и требования к источникам гарантированного энергоснабжения (или их отдельным составляющим).
2. Была составлена идеология, разработаны научно-технические принципы и создана схема функционирования источников гарантированного энергоснабжения на базе ветроэнергетических установок, а также усовершенствована методика преобразования ветра для получения тепла и электричества (подробнее в таблице 1).
3. Рассчитаны главные физико-технические параметры основных элементов прототипа источников автономного энергоснабжения: потенциальная мощность установок, предельно допустимые объемы системы аккумулирования, технические требования и т.д.
4. Произведен поиск аналогов отдельных элементов, входящих в структуру источника гарантированного энергоснабжения, и сравнение их по энергетическим параметрам и оценке допустимых потерь каждого из них или всех в совокупности.

Таблица 1.
Принципиальная схема источника гарантированного энергоснабжения

Элемент энергетического комплекса	Функциональное назначение
ветроэнергетическая установка	необходима для нормального функционирования компрессорной системы высокой производительности
компрессорная система высокой производительности	необходима для наполнения большого ресивера сжатым воздухом под давлением до 10 Па
система пневматического отвода и распределения тепловой энергии	передает тепловую энергию системе обогрева энергетической установки, на турбину, осушитель и непосредственно потребителю энергии
осушитель воздуха	элемент, необходимый для осушения воздуха
ресивер	это аккумулятор системы, содержащий воздух под большим и переменным давлением
дроссельный регулятор	передает воздух на пневмодвигатель с давлением до 1 Па
пневмодвигатель	необходим для вращения вала электрогенератора с постоянной скоростью и отвода холодных воздушных масс потребителю
электрический генератор	может работать с постоянными и переменными оборотами. Он гарантирует постоянную выработку электричества потребителю.

Для разработки источников гарантированного энергоснабжения следует создать отсутствующие в данный момент ветроэнергетические установки с высоким развиваемым моментом и избыточной мощностью. Они должны обладать хорошей технической готовностью, ремонтопригодностью и высокими эксплуатационными характеристиками в условиях Заполярья.

Многочисленные исследования свидетельствуют, что пик активности ветра приходится на зиму — сезон, когда повышается потребность в тепле. Внедрение ветроэнергетических установок позволяет сократить объемы привозного топлива до 50%, что снизит нагрузку на потребителей энергии. Вдобавок для выработки тепла не обязательно использовать электроэнергию высокого качества, что позволит сделать ветроэнергетический комплекс максимально простым и надежным.

Основной недостаток ветровой энергии — нестабильность во времени, может быть преодолен аккумулирующей теплоснабжающей системой за счет ее собственной инерции. Колебания мощности от нескольких минут до пары часов возможно компенсировать с помощью специальных устройств. При отсутствии ветра в течение длительного периода возможно подключение котельной на ограниченном привозном топливе. Часть нагрузки можно покрыть за счет выработки ветроэнергетических установок, а часть — за счет котельной.

При сильных ветрах инновационные комплексы могут полностью удовлетворять потребность в энергии и накапливать ее в запас. Однако в морозные дни нагрузка будет лежать на котельной.

Полученные результаты информационного анализа

В рамках информационного анализа были установлены следующие выводы:

1. На практике нет разработанных схем источников гарантированного энергоснабжения. Зато на отечественном рынке представлены аналоги отдельных элементов, которые можно использовать для создания схемы источника. Они выпускаются различных типоразмеров, состава и компоновки, что дает большие возможности для экономической или энергетической оптимизации.
2. Ветроэнергетические установки, специализированные под суровые климатические условия Заполярья, должны отличаться высокой ремонтопригодностью и технической готовностью.
3. Мощность специальных ветроэнергетических установок и системы аккумулирования и преобразования сжатого воздуха в тепло или электричество должна соответствовать установленному графику нагрузки в течение года и гарантировать выработку энергии в период безветрия или слабого ветра (приблизительно 30-60 дней).
4. Термодинамические расчеты показывают, что при сжатии 1 м3 воздуха до давления 100 атм получается около 107 Дж энергии, а при преобразовании его в электроэнергию с КПД 0,7 можно получить до 2кВт*ч электричества.
5. Инновационные компрессорные установки высокого давления, наибольший интерес из которых представляют винтовые, наделены КПД порядка 0,7. Отсюда можно рассчитать, что минимальное среднее значение мощности, передаваемое от ветроэнергетической установки на вал двигателя с фиксированной мощностью 100 кВт должно составлять до 220 кВт. С учетом вероятности периодов слабого ветра и повышения энергоэффективности ВЭУ двигатель компрессора должен быть оснащен мощностью примерно 300-350 кВт.
6. Мощность ветроэлектрических установок, входящих в источник гарантированного энергоснабжения, и функционирующих в качестве механического привода компрессорных установок для точного покрытия графика нагрузки мощностью 100 кВт должна составлять до 9000 кВт.

При сравнении экономических показателей, полученных по разработанной схеме источников гарантированного энергоснабжения, и альтернативных способов энергоснабжения можно сделать вывод, что капитальные затраты на базе ветроэнергетических установок с механическим приводом и пневматической аккумуляцией могут на 25% быть ниже, чем при использовании ветродизельных установок.

Что касается удельных капитальных затрат, по предложенной схеме они окажутся в 2 раза выше, чем у систем без аккумулирования воздуха. Но при учете топливной составляющей во многих регионах Заполярья себестоимость электроэнергии окажется в 1,5-2 раза ниже, чем у дизельных электростанций. На рисунке 3 представлена оценка капитальных затрат возможных способов энергоснабжения.

Экономия электроэнергии подтверждает перспективность полученных результатов исследования. В силу этого следует продолжить научно-техническую разработку источников гарантированного энергоснабжения и их технико-экономическое обоснование. Для подтверждения возможности реализации проекта на практике необходимо создать экспериментальный образец мощностью до 10 кВт.

Полученные в ходе исследования результаты говорят об экономической и технической обоснованности внедрения ветроэнергетических установок и систем аккумулирования и преобразования сжатого воздуха в районах Заполярья.

Практическая значимость проекта подтверждается следующими возможностями:

• высокой экономией дизельного топлива (порой достигает 100%) и сокращения объемов “северных завозов”;
• снижением тарифов на тепло и электроэнергию в северных широтах страны;
• использованием отечественной производственной и информационной базы для серийного выпуска инновационного энергетического комплекса, ориентированного на арктический климат, и организация новых рабочих мест;
• повышение энергетической безопасности и снижение зависимости от дизельного топлива за счет использования бесплатного возобновляемого ресурса — воздуха;
• решение экологических проблем в районах Крайнего Севера и на Дальнем Востоке.

Экономичность теплоснабжения потребителей с помощью ветроэнергетических установок зависит от режима ветра, цены на привозное топливо и объема капиталовложений. Чем выше цена топлива в северном регионе, тем более оправдано использование инновационных установок. Стоит отметить, что мощность, участвующая в теплоснабжении с помощью ВЭУ, имеет свой оптимум, после которого ее наращивание неэффективно.

Многочисленные испытания показывают целесообразность использования тепловых аккумуляторов. Сбор избытков тепловой энергии в период сильного ветра позволяет поднять долю участия ветроэнергетических установок в графике нагрузок на 10-12% в зимние периоды и на 20-25% летом. В некоторые месяцы вся нагрузка может быть выработана ветроэнергетическими установками, что приведет к значительной экономии в денежном выражении и улучшению жизни населения севера.