А если спилить зеленой пиле зубья?

В последнее время на глаза часто попадаются статьи о внедрении ветропарков, полей солнечных батарей в промышленную эксплуатацию, в связи с чем и появилась данная статейка, как плод размышлений.

Давайте рассмотрим следующую надстройку для сущесвующей ГЭС: ветряки вырабатывают постоянный ток, который собирается со всего ветропарка и посредством ЛЭП подается на насосную станцию. На ней установлены двигатели постоянного тока для привода насосов, которые закачивают воду в верхний бъеф, откуда станция берет воду для своей работы. Вся закачанная в водохранилище вода произведет дополнительно некоторое количество электроэнергии, пройдя через турбины ГЭС.

А теперь поподробнее об отдельных элементах этой схемы. Почему именно постоянный ток. Дело в том, что для работы всех составляющих энергосистемы они должны быть синхронизированы (приведены к общему знаменателю). Для переменного тока участвуют три параметра: величина напряжения, частота и фаза. Если подключить генератор к сети с характеристиками, далекими от сетевых, то возникнут очень большие (вплоть до ударных) уравнительные токи. Поэтому либо подстраивают генератор под сеть (что ввиду хаотичности мощности ветряков затруднительно), либо используют специальные «умные» преобразователи, которые максимально «мягко» вписывают генераторы в энергосистему, что, естественно, сказывается на цене установки. Использование постоянного тока ликвидирует эту проблему, поскольку для согласования характеристик важен лишь один параметр – напряжение. И в совместной работе генератора и сети затруднений нет – пока напряжение генератора не превышает сетевое, он крутиться на холостом ходу, превысило – генератор начинает отдавать мощность, и чем больше разница напряжений, тем она больше. Все вышесказанное справедливо, естественно, при наличии устройства односторонней проводимости, чтобы генератор не перешел в двигательный режим.

Ветряки. Использование постоянного тока дает возможность максимально упростить их. Смотрите, от ветропривода поток мощности передается на вал асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Для перевода его в режим генератора подключается батарея конденсаторов. Снимаемое с выводов напряжение выпрямляется, например, схемой Ларионова, и подается на ЛЭП постоянного тока через простенькую, минимально необходимую, релейную защиту . В результате получаем систему, требующую околонулевого технического обслуживания. Подшипники, кстати говоря, можно использовать не требующие обслуживания – читал про отечественные разработки, вроде на основе керамики, с очень низким коэффициентом трения (а, значит, практически без износа) без всякой смазки. Да, и слово о дождевых червяках – для виброразвязки мотогондолы от опоры можно воспользоваться опытом, например, ЦКБ «Рубин». Они не одну стаю собак съели на этой теме, иначе бы у подводного флота РФ не было бы «Черных дыр», так что фауна при должном подходе страдать не будет.

ЛЭП. Для удешевления можно в качестве опор под них использовать сами ветряки – провода подвешиваются на высоте 5 и более метра от уровня земли и вуаля – и техника спокойно проезжает, в том числе с/х, и преград для лопастей никаких нет. Немного о материале проводников. В стандартном варианте используется пара алюминий-сталь. Это логично – при заданном уровне генерации отдать больше мощности потребителям можно только сократив потери до него. Можно применить этот подход и здесь, однако возможен иной вариант – проводники делаем из более дешевой стали (те же крановые канаты), а увеличенные потери в линии компенсируем увеличением длины лопастей, а, значит, увеличением ометаемой поверхности, и, следовательно, мощности ветряков, либо просто установкой дополнительных ветротурбин. Здесь надо считать, что выгодней. Сталь лучше и тем, что у нее выше температура плавления и существенного изменения механических свойств, т.е. плотность тока может быть гораздо выше чем у алюминиевых. Больший нагрев поможет также предотвратить обледенение ЛЭП.

Насосы. Здесь можно использовать коллекторные двигатели (плохо, т.к.есть проблемный скользящий контакт)/вентильный(получше, но может быть дорог)/связка инвертор – асинхронник (основное требование – возможность работать во всем диапазоне входных напряжений от 0 до номинала, т.к. «зелень» очень нестабильна). При регулировании оборотов электродвигателя для того, чтобы избежать перегрева обмоток обязательно проводится тепловой расчет во всех режимах, поскольку от скорости вращения зависит производительность и вентилятора на валу. Чтобы избежать проблемы перегрева можно организовать водяное охлаждение: ставится насосная ниже уровня в нижнем бъефе, в поток отработанной после турбин воды, на уровне в несколько метров выше насосной, ставятся воронки, собирающие воду, которая затем протекает по трубопроводам через насосную, собирает там все лишнее тепло и выливается ниже по течению. В самой насосной достаточно организовать водяную рубашку двигателей насосов вместо ребер охлаждения, и радиаторы силовой электроники установить также на трубопровод проточной воды. Т.к. температура воды редко повышается выше 25С, то при достаточном протоке можно забыть о проблеме теплосьема на все время работы ГЭС, причем совершенно бесплатно. Насосы качают воду из нижнего бъефа в верхний через напорный трубопровод, на котором установлены обратный клапан (для того, чтобы столб воды не сливался обратно в периоды низкой безветрия) и счетчик воды, по которому будет оплачиваться владельцу ветряков количество электроэнергии, дополнительно выработанной ГЭС.

Итак, подводя итоги:

1. Ветряки работают в своем наиболее оптимальном режиме и собирают по-максимуму энергию с потока ветра, не подстраиваясь под энергосистему и не добавляя в нее рваного потока мощности.
2. Производительность насосов зависит только от уровня напряжения в цепях постоянного тока и также всегда максимальна в данных погодных условиях – нет никаких дополнительных критериев регулирования производительности.
3. В системе отсутствуют сложные и дорогие преобразователи, а также другие компоненты, которые не может произвести отечественная промышленность.
4. Вся вода, перекачанная насосами, в конечном итоге превратиться в электроэнергию ГОСТовских параметров, поэтому и платить потребители будут за реально качественный товар.
5. ГЭС сами по себе являются крупными энергоузлами, поэтому дополнительной сетевой инфраструктуры строить не понадобиться – просто увеличиться КИУМ оборудования станции (все станции рассчитаны на паводковый режим работы, т.е. несколько увеличенный от обычного объема, сток воды, и, соответственно, добавка воды позволит просто использовать оборудование на повышенной мощности большее число часов в год).
6. В зависимости от уровня воды в водохранилище и скорости ее поступления, диспетчер может использовать дополнительную энергию либо для проходжения часов пиковых нагрузок, либо просто для увеличенной загрузки турбин какое-то время, экономя ископаемое топливо.

Недостатки, конечно, тоже есть:

1. Уровень напряжения ограничен возможностями изоляции электрических машин – около 30 кВ. Значит, все увеличение мощности сведется только к пропорциональному увеличению тока со всеми вытекающими.
2. Привязанность мест установки ветряков к действующим ГЭС. Хотя можно превратить это в некотором смысле в достоинство – определиться на государственном уровне со списком таких территорий («заповедников ВИЭ») и развивать ВИЭ только на них, чтобы не гробить существующую инфраструктуру «зеленой пилой».

ЗЫ. Ну и конечно, не должно быть необоснованных финансовых льгот для деятельности такой генерации – если альтернативная генерация действительно конкурентноспособная по сравнению с традиционной, то хватит финансовой поддержки на этапе строительства, а функционирование должно осуществляться в условиях одинаковых оптовых цен на э/э – конкуренция должна быть честной, дабы выжил лучший.