Ветроэнергетические установки с использованием высокотемпературной сверхпроводимости



Республика Казахстан является индустриальным государством. Особенность электроэнергетики Республики Казахстан состоит в том, что выработка электроэнергии и тепла производиться за счет использования твердого топлива [1]. Производство электроэнергии в Казахстане в 2015 году составило 94,5 миллиардов кВт/ч при потреблении электроэнергии 113 кВт/ч. Наблюдается устойчивая динамика увеличения потребления и производства электроэнергии, что связано с развитием экономики. При существующих генерирующих мощностях наблюдается дефицит производства электроэнергии. Общая установленная мощность электростанций составляет около 18,7 тысяч МВт. Однако, существующие генерирующие мощности имеют значительный срок эксплуатации (25 и более лет), в связи с чем располагаемая мощность составляет порядка 14,6 тысяч МВт. В структуре генерирующих мощностей тепловые электростанции составляют 15,4 МВт, или 87 % от общей мощности, доля гидростанций — около 12 %, другие — около 1 %.

Учитывая значительную изношенность основных фондов, потребуются значительные инвестиции в строительство новых электростанций для удовлетворения спроса на электроэнергию.

Республика Казахстан расположена в центре Евразийского континента. В значительной части его территории наблюдаются достаточно сильные воздушные течения, преимущественно северо-восточного, юго-западного направлений. В ряде районов Казахстана среднегодовая скорость ветра составляет более 6 м/с, что делает эти районы привлекательными для развития ветроэнергетики.

По экспертным оценкам, ветроэнергетический потенциал Казахстана оценивается в 1820 млрд. кВтч электроэнергии в год. Хорошие ветровые районы имеются в центральной части Казахстана, в Прикаспийском регионе, а также в ряде мест на юге, юго-востоке и юго-западе Казахстана [2].

Однако, в условиях существующего рынка электроэнергии ветроэнергетические ресурсы Казахстана практически не осваиваются. Основной причиной является не конкурентоспособность ветроэнергетики на рынке электроэнергии. Стоимость электроэнергии от ветроэлектростанций с учетом возврата инвестиций может составлять порядка 8–12 тг/кВт∙ч. Стоимость электроэнергии на шинах энергопроизводящих организаций составляет в настоящее время — 2–4,5 тг/кВтч. Прогнозируемая стоимость электроэнергии у энергопроизводящих организаций в ближайшие годы может составить: от 5,0 до 8,5 тг/кВтч.

Рис. 1. Ветроэлектростанция под Астаной, на площадке Ерейментау

Практическая ветроэнергетика в Казахстане начинает развиваться. Следует сказать, что до 2030 года в Республике по расчетам министерства энергетики и минеральных ресурсов будет построено 46 ветроэлектростанций.

Первые шаги в этом направлении уже сделаны. В 2013 году «Самрук-Энерго» начало строительство первого этапа Ерейментауского ветропарка (Рисунок 1).

В 2014 году запущена первая в Казахстане (Жамбульская область, Кордайский перевал) промышленная ветроэлектростанция мощностью 21 МВт, построенная компанией «Изен-Су» (Рисунок 2).

OurOffset Kazakhstan планирует построить ветроэлектростанцию мощностью 75 МВт в Южно-Казахстанской области в районе поселка Ачисай, возле города Кентау. Стоимость проекта 235 млн долл США. Сейчас проект на стадии разработки технико-экономического обоснования.

В последние годы разработано технико-экономическое обоснование «Строительство ВЭС «Байдибек-1» мощностью 210 МВт в Жамбылской области [3].

Концерн Vestas Wind Systems A/S (Германия), который известен своими высококачественными ветрогенераторами, активно разрабатывает программу вложения в Казахстанскую ветроэнергетику. Ожидается, что немецкие партнеры вложат 200 млн. евро чтобы построить ветроэлектростанции суммарной мощностью 500 МВт. Местами их расположения будут Ерейментау и Шелекский коридор. Согласно прогнозам, по мере увеличения производства в Казахстане отечественные производители будут поставлять часть оборудования для ветропарков.

Рис. 2. Кордайская ветроэлектростанция

Следует сказать, что во всем мире существует интерес к развитию ветроэнергетики, особенно на базе последних достижений науки и техники. Примером этого могут служить ветрогенераторы с использованием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Например, профессор Хьюстонского Университета и главный консультант по технологиям компании Superpower В. Сельваманикам видит большой потенциал ВТСП устройств в использовании ветрогенераторов на основе ВТСП мощностью свыше 10 МВт [4].

Современное состояние ветрогенераторов на основе ВТСП характеризуют заключенные и исполняемые проекты в этой области [5].

Таблица 1

Проекты по ВТСП ветрогенераторам

Устройства	Название проекта	Произ-водитель	Сроки выполнения	Характеристики	Стои-мость, $
Ветряные генераторы	Испытание отдельных компонентов ветрогенератора, создание макетного образца, проект	AML, Emerson Electric, Argonne, Creare, BEW Engine-ering	2012–2014	Ветрогенератор 10 Мвт на основе MgB2	Этап I-700000 Этап II-2500000
Сверхпро-водниковые двигатели	Fully Superconducting Direct-Drive Generator for Large Wind Turbines, Phase I&II	AML	2012–2015	Ветрогенератор с прямым приводом 8–10 Мвт	Этап I-700000 Этап II-500000
	Generator for Wind Turbine, Incorporating LTS	AML	2012–2015	Ветрогенератор 15 Мвт	Этап I-700000 Этап II-2000000

По сообщению информационного сайта Австралии Renew Economy в институте Сверхпроводников и материалов электронной техники австралийского университета Вулонгонга разработан проект ветрогенератора, имеющего на 40 % меньшую массу по сравнению с традиционным исполнением. Отказ от редуктора и использование обмоток из диборида магния, позволит не только уменьшить массу, но и сократить стоимость ветроустановки с 15 до 3–5 млн. долларов. Отсутствие массивного и ненадежного редуктора также снизит и эксплуатационные расходы. Для Австралии с ее значительной береговой линией переход в течение ближайших пяти лет на ветрогенераторы с ВТСП сможет заметно снизить стоимость электроэнергии от ветряных установок.

Китайская компания Dongfang Cjrporation (DEC) разрабатывает сверхпроводниковый ветрогенератор мощностью 10 МВт. Для обмоток ветрогенератора будут использованы как ВТСП проводники 2-го поколения, так и MgB₂ проводники. Рабочая температура в 30 К достигается при помощи охлаждения криокулерами через тепловые мосты. ВТСП проводники используются лишь в обмотках, работающих при сравнительно высоких магнитных полях, остальные обмотки выполнены из MgB₂, данное решение позволило значительно снизить стоимость сверхпроводника.

Таблица 2

Основные характеристики разрабатываемых в Китайской Народной Республике сверхпроводниковых ветрогенераторов

Item	DEC	HUST
Rated power	10 MW	12 MW
Rated voltage	3,5 kV	3,3 kV
Rated current	840 A	2100 A
Rated speed	11 гpm	9 гpm
Rated frequency	2 Hz	3 Hz
Phase	6	3
Air-gap magnetic field	2 T	2,2 T
Operation temperature	20 K	4,2 K

В Таблице 2 представлены параметры разрабатываемого Huazhong University of Science and Technology (HUST) сверхпроводникового ветрогенератора на основе ниобий-титановых проводников. Основной особенностью генератора является отсутствие вращающегося криостата, что значительно упрощает систему криогенного обеспечения. Мощность ветрогенератора будет достигать 12 МВт.

Для отработки технических решений был изготовлен и испытан макетный образец на основе ВТСП-2 (Рисунок 3).

Рис. 3. Макетный образец ветрогенератора DEC а), проект ветрогенератора HUST б), [6]

В Московском авиационном институте (Национальном исследовательском университете, МАИ) проводятся работы по созданию электромеханических преобразователей и другого электрооборудования на основе ВТСП материалов начиная с 1994 г. Работы выполнялись в рамках проекта Госкорпорации «Росатом» «Сверхпроводниковая индустрия» в составе проекта «Инновационная энергетика» по приоритетному направлению «Энергоэффективность» при президенте Российской федерации и госконттракту «Сверхпроводимость» с МИНПРОМТОРГом.

МАИ совместно с АО «НИИЭМ» (г. Истра), МГТУ им. Баумана, ИФВЭ (г. Протвино), АО «ВПО Точмаш» (г. Владимир) и ГУАП (г. Санкт-Петербург) в конце 2015 года завершил работы по созданию сверхпроводниковых электродвигателей, генераторов, кинетического накопителя энергии, замкнутой системы криогенного обеспечения, а также были созданы испытательные стенды и проведены испытания всех устройств.

Созданный ВТСП генератор (Рисунок 4) не имеет мировых аналогов. Основные его характеристики представлены в таблице 3 [7].

Разрабатываемые в мире безмультипликаторные ветрогенераторы большой мощности имеют удельную массовую мощность порядка 0,07 кг/кВт и КПД 95 %. Производство ветрогенераторов больших размеров, помимо технологических сложностей, связанных с изготовлением, доставкой, сборкой, монтажом, имеет долгое время окупаемости, что значительно снижает их рентабельность и экономическую привлекательность.

Рис. 4. Первый в мире синхронный ветрогенератор мощностью 1 МВ∙А с обмотками из ВТСП второго поколения

Таблица 3

Основные характеристики синхронного ВТСП ветрогенератора

Номинальная мощность, кВ∙А	1000
Номинальное напряжение, В (линейное/фазное)	1195/690
Номинальная частота вращения, мин-1	600
Номинальная частота, Гц	50
Номинальный момент, Н∙м	16000
Номинальный ток статора, А	500
Диаметр расточки, мм2	800
Активная длина, мм	400
Коэффициент мощности	0,99
Коэффициент полезного действия	0,99

Основной областью применения разработанного генератора являются ветроэнергетические установки. Применение сверхпроводящих материалов позволяет кратно сократить массу и габаритные размеры ветрогенератора при сохранении его мощности, или повысить номинальную мощность при сохранении массы.

В последние годы в ведущих научных центрах по всему миру возрос интерес к разработке нового электротехнического оборудования на основе ВТСП материалов. Это связано, прежде всего, с тем, что уровни производимой и потребляемой мощностей электроэнергии растут, а топливные ресурсы весьма ограничены. Поэтому необходимо повышать эффективность за счет усовершенствования уже существующего и разработок принципиально нового электрооборудования.

Литература:

1. Анализ развития и распространения передовых технологий в области энергоэффективности и возобновляемой энергетики в Казахстане. Проект Европейской Экономической Комиссии ООН. Алматы, 2012.
2. Национальная Программа развития ветроэнергетики в Республике Казахстан до 2015 г. с перспективой до 2024 г. Проект Программы развития ООН и Правительства Казахстана «Казахстан — инициатива развития рынка ветроэнергетики», Алматы-Астана, 2007.
3. Госсен Э., Трофимов А., Маринушкин Б. Первая промышленная ветроэлектростанция в Казахстане введена на полную мощность http://kazenergy.kz/arhiv/55/31–33.pdf.
4. Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. — 2008. — Том 8, выпуск 3. с.7.
5. Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. — 2014. — Том 11, выпуск 2. с.10–11.
6. Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. — 2015. — Том 12, выпуск 3. с.10–11.
7. Сверхпроводники для электроэнергетики. Информационный бюллетень. — 2016. — Том 13, выпуск 1. с.3–4.