Чистый ток. Челябинские ученые придумали, как управлять энергией ветра

Южноуральские ученые научились «грязное», неуправляемое электричество почти без потерь и затрат превращать в «чистую» энергию. На днях эта разработка вошла в шорт-лист финалистов VI международной премии «Малая энергетика — большие достижения» и получила высокую оценку экспертов. Какие возможности она может дать для науки и производства? Своими идеями поделился один из авторов ноу-хау, научный руководитель проекта, заведующий кафедрой «Теоретические основы электротехники» энергетического факультета ЮУрГУ, доктор технических наук Сергей Ганджа.

Двойная подпитка

— Что такое «грязная» энергия и почему она создает столько проблем?

— Генератор, стоящий в конце цепочки преобразования механической энергии ветра в электрическую, вырабатывает ток с переменными параметрами по частоте, амплитуде и фазе. На экране осциллографа вы увидите замысловатые кривые, даже отдаленно не напоминающие красивые синусоиды. Такую «грязную» электроэнергию нельзя подавать даже на термонагреватели, не говоря об освещении, холодильниках, компьютерах… Российский стандарт предъявляет очень жесткие требования к качеству электричества. Привести к нему энергию ветроустановки с минимальными потерями очень сложная техническая задача.

Хотя вы потратили массу сил и средств на изготовление ветроустановки, использовать такую энергию не сможете. Мировая наука предлагает несколько вариантов решения проблемы. Один из них, когда преобразование энергии проходит несколько стадий: выпрямление, стабилизацию, инвертирование постоянного тока в переменный. Но на каждой ступени энергия теряется, и КПД получается очень низким.

Другой способ преобразования — использование асинхронного генератора. Эта электрическая машина при разных частотах вращения подает в сеть напряжение с синхронной частотой. Но и у нее свой минус: нет устройства, которое генерирует магнитный поток. Эту так называемую реактивную энергию генератор берет из внешней цепи. В ней энергии не так уж много, и это ограничивает его применение.

— И что вы предлагаете?

— Вместе с аспирантами нашей кафедры Бахтиером Косимовым и Дилшодом Аминовым мы разработали ветроэнергетическую установку (ВЭУ) с необычным генератором, решающим сразу несколько проблем. Он может вращаться с разной скоростью, но всегда будет выдавать «чистую» электроэнергию. Для такого генератора (конструкция запатентована) не надо резервировать реактивную энергию, он сам скачивает ее в сеть, улучшая ее энергопараметры. Причем он универсален: может работать и в автономном режиме, и вместе с другими источниками генерации. Вы можете наращивать мощности, соединяя установки в единую параллель. Этим наша электромашина кардинально отличается от серийных, которые производят только двух типов: автономные или сетевые.

— В чем новизна вашего технического решения?

— За основу мы взяли идею известного гроссмейстера Михаила Ботвинника. Не многие знают, что он был и талантливым ученым-электромехаником, который в 1932 году придумал так называемую машину двойного питания для целей, не связанных с ветроэнергетикой. Ученый занимался изучением аварийных режимов мощных синхронных гидро- и турбогенераторов. Для уменьшения последствий внезапных коротких замыканий и была придумана эта машина.

А мы нашли «двойному питанию» совершенно новое применение. Наша электрическая машина, так сказать, гибридная, одновременно и синхронная, и асинхронная! А вернее, асинхронизированный синхронный генератор с трехфазной обмоткой на статоре и роторе, запитанном от электронной системы управления. Она сама подбирает такую частоту для цепи возбуждения, которая обеспечивает нужные параметры напряжения. Генератор имеет так называемую обращенную конструкцию: наружный ротор вращается вокруг внутреннего статора. Это очень удобно для крепления лопастей ветроколеса.

— В вашей системе объединены два совершенно разных генератора…

— Ветроустановка должна обладать высокой надежностью, чтобы долгое время работать без ремонта. Это не позволяет использовать скользящие щеточные контакты для подвода тока к вращающимся частям. Как обеспечить бесконтактное питание обмотки ротора? Мы нашли решение: поставили второй генератор — возбудитель. Кстати, это тоже уникальная запатентованная конструкция — генератор с комбинированным возбуждением от постоянных магнитов и обмотки. Нами разработана и электронная система управления, регулирующая механизм возбуждения так, чтобы на финише была «чистая» энергия, соответствующая всем требованиям стандарта. Компьютерная система управляет силовой электроникой, и все работает как часы!

Автономный ветропарк

— Сегодня новые машины нередко обкатывают в виртуальном формате…

— Это снимает многие технические риски, и мы тоже пошли по этому пути. Работу всех составляющих ВЭУ промоделировали на суперкомпьютере с помощью IT-технологий цифровых двойников. Компьютерные модели полностью подтвердили ее работоспособность. Но впереди еще создание опытного образца. Мы очень рассчитываем на господдержку науки. В ноябре подали заявку в Российский научный фонд. Если победим в конкурсе, то получим 18 млн рублей на три года. Этих средств будет достаточно, чтобы изготовить экспериментальный образец. Поначалу это будет генератор малой мощности на 10 кВт, который опробуем в лаборатории, чтобы потом выйти в серию. В наших планах освоить целый ряд ВЭУ — от 10 кВт до 6 МВт. Ветроустановки разной мощности будут отличаться габаритами при однотипных технических решениях.

— Будет ли у вашей идеи продолжение?

— Следующий этап — в генератор встроить энергонакопитель! Такой оригинальный подход нигде в мире пока не применялся. Без накопителей альтернативные источники работают крайне неэффективно. На первом этапе в этом качестве может выступать обычная аккумуляторная батарея. Она исключит генератор-возбудитель из системы и упростит, удешевит конструкцию. Но для этого надо изменить электронную систему управления. Затем планируем использовать инновации водородной энергетики: в роли накопителя будет жидкий топливный элемент на метаноле. Наши ветроустановки будут с элементами искусственного интеллекта. Они смогут сами себя диагностировать, определять режим работы (сколько энергии отдать потребителю, сколько в накопитель), предупреждать о плановых ремонтах, определять износ.

— А пригодится ли ваша технология и на вторичном энергорынке?

— Она может омолодить устаревшие ветряки. Умная электронная система управления позволит объединить ветроустановки в одно целое, синхронизировать между собой, определить режим работы. Ночью, когда потребление падает, она будет накапливать электроэнергию, а днем надежно обеспечивать потребителя даже в безветренную погоду!

Энергия струн

— Чем ваша разработка может помочь альтернативной энергетике?

— Она может принести пользу не только ветряным, но и малым гидроэлектростанциям. К примеру, наши аспиранты, приехавшие на учебу из Таджикистана, сейчас дорабатывают эту модель применительно для мини-ГЭС. В этой стране, как и на Южном Урале, множество горных речек, которые могут вырабатывать энергию.

— Где еще возобновляемые энергоисточники могут найти применение?

— Спектр их использования самый широкий. Вместе с учеными архитектурно-строительного факультета ЮУрГУ мы прорабатываем идею создания энергоэффективного «умного» дома для экопоселений. Подали заявку на получение гранта Российского научного фонда. Наша кафедра в этом проекте отвечает за снабжение дома водой из скважины, электричеством — от альтернативных источников, за обогрев от теплонасосов с использованием геотермального тепла земли. Такой умный дом будет на полном коммунальном самообеспечении.

В прошлом году я побывал на прошедшей в Астане всемирной энерговыставке ЭКСПО-2017 и взял для себя немало интереснейших идей. Сегодня они кажутся фантастикой, а завтра могут стать реальностью. Например, между ветряками натянуты струны, которые вибрируют от ветра и вырабатывают электроэнергию. А если эту новацию совместить с нашей да еще подключить эффект резонанса, то энергоотдача вырастет в разы!