Ученые Южно-Уральского государственного университета нашли способ улучшить ветроэнергетические установки, которые в настоящее время активно внедряются по всему миру. Полученную энергию станет легче хранить, а сами ветроустановки будут более надежными, что дает возможность эксплуатировать их при различных климатических условиях, в том числе в Арктике.
Альтернативная энергетика позволяет сохранить природные ресурсы планеты и является экологически чистой. Однако на сегодняшний день требуется создание высоконадежных установок, которые могли бы беспрерывно вырабатывать энергию. Одно из универсальных решений предложено учеными Южно-Уральского государственного университета. Результаты работы научного коллектива были опубликованы в журнале International Journal of Hydrogen Energy, который индексируется в первом квартиле баз данных Scopus и Web of Science.
Водород позволит сохранить электроэнергию
«Ветроэнергетическая установка является источником энергии, и она использует такой возобновляемый ресурс, как ветер. Благодаря энергии ветра мы получаем электрическую энергию, и перед нами стоит задача максимальной эффективности этого процесса. Еще одна задача — накопление энергии, ее сохранение для последующего использования при отсутствии ветра. Для этого будет использоваться водород: мы соединили энергетическую установку с оборудованием для получения водорода, а также электрической энергии из водорода. Другими словами, данная установка преобразует электроэнергию в водород, который мы можем хранить или даже перевозить. Из этого же водорода мы получаем электроэнергию обратно», — отмечает доцент кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения Политехнического института ЮУрГУ Андрей Мартьянов.
Преобразование электроэнергии в водород происходит с помощью электролиза, затем водород помещается в специальные емкости, в которых хранится до того момента, когда потребитель будет нуждаться в электроэнергии. Обратный процесс получения энергии из водорода происходит за счет электрохимической реакции, при которой водород взаимодействует с кислородом, вырабатываются электроэнергия и тепловая энергия. К концу 2019 ученые планируют завершить работу над созданием цифрового двойника ветроустановки.
В настоящее время в мире существуют аналогичные ветро-водородные комплексы, однако разработка ученых Южно-Уральского государственного университета обладает рядом преимуществ. В частности, ветроэнергетическую установку характеризует независимость от направления ветра, высокая эффективность, автономность и низкий уровень инфразвука, что делает ее безопасной по отношению к окружающему рабочему персоналу. Кроме того, водородная часть комплекса является установкой всеклиматического исполнения, в связи с чем может использоваться в сложных погодных условиях, и в данный момент конструкция ветро-водородного энергокомплекса совершенствуется с целью ее применения в Арктике.
Ветроустановки для Арктики станут надежнее
Еще один проект ученых ЮУрГУ также направлен на обеспечение энергией арктической территории. Одними из потребителей электроэнергии в Арктике являются навигационные объекты, объекты военных ведомств, а также станции нефтедобывающих компаний. Проведение электроэнергии в те регионы требует значительных финансовых затрат, и ветроэнергетика в этом плане является оптимальным решением. Так, стоимость 1 километра линии электропередач может составлять от 1 до 4 миллионов рублей. Для отдаленных объектов стоимость создания такой линии, а также стоимость ее обслуживания в условиях сурового климата будут крайне высокими. В то же время стоимость ветроустановки примерно равна 1 километру линии электропередач, а срок ее эксплуатации может достигать 35 лет.
«Основная проблема использования ветроустановок в Арктике заключается в том, что их конструкции могут не выдержать большой ветровой нагрузки, которая имеется в Арктике. Другими словами, при сильных порывах ветра может произойти разрушение лопастей или перегрев генератора. Для предотвращения этих негативных моментов нами разработана система торможения ветроэнергетической установки. Она отслеживает три параметра: скорость вращения ветроколеса, температуру генератора и вибрационные колебания во всей конструкции. Если какой-либо из параметров вышел за границы допустимого диапазона, система торможения активируется и останавливает ветроустановку. Как только все величины возвращаются в норму, она снова начинает работать. Таким образом, мы исключаем поломку ветроустановки при суровых погодно-климатических условиях, но в то же время обеспечиваем стабильное электроснабжение потребителей», — рассказывает младший научный сотрудник Международного инновационного центра «Альтернативная энергетика» ЮУрГУ Евгений Сироткин.
Система торможения состоит из трех основных блоков, в числе которых: электронный блок, отслеживающий состояние трех параметров; приводной блок, приводящий в движение исполнительные элементы механизма торможения; а также тормозной блок, который осуществляет торможение ротора ветроустановки. Учеными разработана математическая и компьютерная модели данной системы торможения. Компьютерная модель может использоваться разработчиками систем торможения для любых типов и видов ветроэнергетических установок по всему миру. Ее главное предназначение — упростить и ускорить процесс проектирования и оптимизации системы торможения ветроэнергетических установок.
