Технологични подобрения в областта на вятърната енергетика

Tенденцията в развитието на вятърната енергетика е към масова, конкурентна и надеждна технология. В световен мащаб се отбелязва напредък с включване на повече държави, увеличение на инвестициите и годишно инсталираните мощности. Технологичните подобрения непрекъснато намаляват разходите за енергия. Индустрията е преминала успешно както през затруднения, така и през разширения на веригите за доставка.

Общата насоченост в дизайна на турбините е да се увеличава височината на кулата, дължината на лопатките и мощността. Наблюдава се обаче значително по-бърз растеж във височината на турбината и диаметъра на ротора, отколкото в мощностния капацитет. Това намаление на специфичната мощност (съотношението на капацитет към зона на обхват) повишава значително коефициента на използване на мощността за същите скорости на вятъра. Основната движеща сила за тази еволюция, която може да повлияе положително и върху цялата система, е намаляването на разходите.

Това развитие води до появата на ротори, проектирани за по-ниски скорости на вятъра, които имат още по-малка специфична мощност, високи кули и дълги лопатки, съотнесени към размера на генератора и още по-висок коефициент на използване на мощността.

Това позволява инсталирането на вятърни турбини в области с по-ниски скорости на вятъра, които често са по-близо до центровете на потребление, отколкото най-ветровитите места. Тъй като чрез тази практика се избягва изграждането на ветрогенератори на места, на които би могло да се повлияе на околната среда и ландшафта (морски крайбрежия, планински хребети и др.), рискът от възникване на конфликти намалява.

Напредъкът в конструкцията на лопатките с използването на по-добри материали и модерни стратегии за управление е допринесъл за увеличаване добивите от турбините, отнесени към тяхната инсталирана мощност. От 2008 г. делът на директно задвижващите се турбини е нараснал от 12 до 20%.

Други конструктивни варианти, по които се работи, включват ротори от подветрената страна на кулата и ротори с две лопатки. Офшорните вятърни турбини се развиват от по-ранните, пригодени за използване в морето наземни модели, до специализирани турбини с по-голям размер, като се проучват и различни компоненти като обшивки и трикраки основи. За в бъдеще се очакват още подобрения в това направление.

Производството на енергия с ветрогенератори е доказан процес, който продължава да се развива. През следващите години вероятно нито един от елементите на наземните турбини няма да доведе до драстично намаление на цената на енергията. Конструкцията и надеждността предстои да бъдат подобрявани в много аспекти, но взети заедно тези фактори ще намалят цената на енергията и обстоятелствата, които възпрепятстват взимането на инвестиционни решения. При отдалечените от брега ветрогенератори съществува по-голям потенциал за намаляване на разходите и дори е възможен технологичен пробив.

Действията, свързани с развитието на технологиите, попадат в три основни категории - в технологиите за вятърна енергия; характеристики на вятъра и вериги за доставка, производство и монтаж. В категорията технологии за производство на енергия от вятъра се очаква развитие в конструкцията на турбините, с което да се измени и дизайнът на цялата система, надеждността, поддръжката и начините на тестване. За втората категория - сравнителна оценка на вятърните ресурси с прогнозните за избор на площадка, външни условия за технологията на турбината и методи за краткосрочни прогнози.

С оглед на непрекъснато развиващите се технологии е необходимо да се полагат непрестанни усилия за изработването на стандарти и процедури за сертифициране. Те са от решаващо значение за гарантиране висока степен на надеждност и успешното внедряване на нови технологии за вятърна енергия. Важно е също да се търсят и методи, които имат намалена степен на въздействие върху околната среда.

Конструктивно развитие на системите

Намаляването на разходите е основната движеща сила за развитието на технологиите, но под внимание се взимат и мрежовата съвместимост, емисиите на шум, външният вид и съответствието с условията на площадката. Поевтиняването на компонентите, както и постигането на по-добра производителност и надеждност, водят до намаляване на цената на енергията.

Преминаването към специфични вятърни турбини за различни експлоатационни среди изисква задълбочено разбиране на условията, при които един ветрогенератор ще работи през целия си жизнен цикъл. Целта е да се разработят по-рентабилни турбинни конструкции, с които да е възможно извличане на повече енергия от вятъра, да имат по-дълъг живот и да работят при специфични условия.

Производителите на вятърни турбини, които планират да предлагат “пакети за студен климат”, ще трябва да използват специални материали и компоненти, включително и специализирани системи за измерване, нагреватели за компоненти и подсистеми и дори отопление за гондолата, което да позволи удобни условия за поддръжка на турбината.

Като противообледенителни и размразяващи системи обикновено служат електротермични нагревателни елементи. За дълбоко замръзналите почви може да се наложи изграждането на специални основи.

Необходимо е разработването на инструменти, които да намалят натоварването върху елементите на системата, за да се да се оптимизират специфичните режими на работа - за разположени в морето генератори, студен климат, тропически циклони и ниски скорости на вятъра. Подобряването на тези инструменти изисква извършването на много измервания на изпитателни площадки и в реални условия.

Чрез изследователска и развойна дейност се цели създаване на турбини с мощност от 10 до 20 MW, което ще тласне развитието на технологиите към нови решения. Това би могло да спомогне за понижаване на разходите за турбините с мощност между 2 и 5 MW, които се считат за подходящи за повечето приложения. Оптималното решение за наземните и офшорни генератори предстои да бъде намерено.

Допълнителното увеличаване на размера на наземните турбини е ограничено поради логистични пречки и разпоредби относно количествата шум и възпрепятстване на видимостта. Уголемяването на офшорните генератори ще доведе до повече ползи. Според проучвания на ЕС изпълнението на 20 MW турбина е технически възможно, при условие че за фактори като материали, конструкция и възможности за управление се отбележи значителен напредък.

Съвременни компоненти

Усъвършенстваните ротори са с по-голям диапазон на скорости на вятъра и имат по-висока ефективност, което вече доведе до намаляване цената на вятърната енергия. Предвид увеличаването размера на ротора, за да могат да бъдат разработвани нови конструкции, ще са необходими по-гъвкави лопатки и по-задълбочен анализ на тяхното функциониране по време на експлоатация.

Технологиите за намаляване на шума са от особена важност, за да се повиши възможността за реализиране на проекти на повече територии. Възможно е разработването и на други обещаващи технологии за подобряване системата за управление на стъпката и ъгъла на лопатките, техните лагери, конструкцията на главината, материалите и технологиите за производство.

Подобрения в задвижващите агрегати могат да се постигнат чрез цялостна оптимизация на турбината. Подобреното управление чрез силова електроника може да редуцира натоварванията и износването материалите. Друга алтернатива са конструкции, в които хидравлична система да замени механичния редуктор. Повишаването на мощността на турбините налага използването на по-мощна силова електроника и подобряване на съвместимостта с мрежата. Вследствие на това се очаква понижаване на разходите за преобразуване на енергия.

Материалите за поддържащите конструкции биха могли да се изследват с цел допълнително намаляване на разходите. Ако се използват материали с по-висока якост, отнесена към масата (например въглеродни нишки или титан), е възможно изграждането на ротори, които да обхващат по-големи пространства, на по-леки генератори и предавателни механизми, с което да се намали масата на главата на кулата.

Използването на нови материали може да предостави решения за изграждането на по-високи кули и да намали зависимостта на генераторите с постоянни магнити от редкоземни елементи. Свръхпроводящите генератори с директно задвижване също предлагат подходящи решения за намаляване на масата и размерите.

Управлението на вятърните турбини и вятърните паркове като цяло играе важна роля за намаляване на разходите. Индустрията претърпява преустройство по отношение на централите - отделните турбини се разглеждат като компоненти, които могат да бъдат проектирани и експлоатирани на определени места в системата.

Монтирани на турбините LIDAR устройства ще предоставят информация за скорост, посока и нестационарни режими на обтичане от вятъра, което ще позволи оптимално позициониране на ветрогенераторите спрямо промените в настъпващия вятър. Това ще даде възможност за постигане на по-добри резултати и намаляване на натоварванията.

Развитие на офшорните технологии

Конструкцията на отдалечените от брега турбини ще продължава да се отдалечава от тази на наземните, като ще се обръща по-малко внимание на трептенията, шума и външния вид. Непрекъснатото преоразмеряване на турбините е от голямо значение при офшорните технологии, тъй като вече е довело до разбалансиране между разходите за централата и оперативните при увеличаване количеството на уловената енергия.

Особено внимание следва да се обърне и на влиянието на морската атмосфера и вълните, които упражняват различни натоварвания върху турбината и основите. Докато реалните изисквания към вятърните технологии в офшорните зони не бъдат разбрани напълно, ще продължи прилагането на консервативни методи на конструиране - използване на технологии, адаптирани от други индустрии.

Турбините, ситуирани в морето, могат да бъдат проектирани и по различен начин от обичайните три лопатки при наземните, например две лопатки, въртящи се от подветрената страна на кулата. Подобрение на променливотоковите системи или внедряване на постояннотокови е обещаващ вариант за изграждане на вътрешната мрежа на електроцентралите и свързването с брега. Съществува необходимост от извършване на промени в конструкцията, целящи повишаване на издръжливостта на по-широк спектър от фактори - урагани, заледявания и др.

Разнообразните условия на морското дъно, дълбоките води и увеличението размера на турбините ще наложи разработването на иновации в обшивките, въвеждане на трикраки основи, структури, базирани на гравитацията и смукателни кесони. Изградените от композитни материали кули и основи могат да предложат по-добра защита от корозия, но хибридните структури от бетон и стомана или само бетон също имат своите предимства.

Експлоатационна надеждност и поддръжка

Управлението на експлоатационните данни може да направи по-бързи и евтини действията по експлоатация и поддръжка на съоръженията. Надеждността при офшорните турбини е от изключително значение, тъй като разходите за достъп са високи, а понякога и атмосферните условия не го позволяват.

Минимални действия за поддръжка на място могат да бъдат постигнати чрез оборудване на турбините с резервна система и дистанционни решения за наблюдение и диагностика, което ще намали продължителността и честотата на ремонтите. Важно е също проектирането на офшорни турбини, при които е възможен достъпът при по-разнообразни метеорологични и морски условия.

Чрез диагностични методи и превантивно техническо обслужване се осъществява корективна поддръжка, която позволява по-редовни и ефективни прегледи на системата и свеждане до минимум на непланираните ремонти - критичен фактор за намаляване на разходите. Технологичният напредък в наблюдение на състоянието и натрупването на повече опит при идентифициране на показателите за аварии се очаква да повишат ефективността на диагностицирането.

Съвременните техники за мониторинг на състоянието могат да включват системи за самодиагностициране, за реакция на натоварвания в реално време и възможност за индивидуално управление на турбините от наземни пунктове за наблюдение. Съчетаването на превантивната поддръжка с подобрено прогнозиране на времето и вятъра би помогнало на операторите да сведат до минимум производствените загуби на турбината.

Оценка на ресурсите и избор на площадка

С нарастване височината на турбините използването на стандартни анемометри става все по-трудно, особено при офшорните генератори. Наскоро разработените технологии за дистанционно измерване с помощта на звук, светлина или радар и изчислителната хидродинамика за моделиране на въздушния поток все още се нуждаят от валидиране, особено на сложни терени.

Въвеждането на дистанционно отчитане е възможно и за подобряване контрола на гондолите на турбините. Оптимизираният избор на място на турбините в електроцентралата може да се отрази на влиянието на въздушния поток от една турбина на друга - т. нар. “wake effect”, което е едно от най-слабо проучените явления в областта на вятърната енергия.

То е от особено значение в морето, където електроцентралите се състоят от стотици турбини, поради което може да намали количеството уловена енергия с 10% и да увеличи натоварванията на структурите и разходите за експлоатация и поддръжка. Изключително важно е провеждането на бъдещи проучвания за определяне на най-подходящите местоположения, с което да се увеличи животът на турбините. С намаляване на загубите от ситуиране на турбините и оптимизиране на подредбата им, може да се увеличи общата ефективност на електроцентралата.

Полагат се усилия за стандартизиране на методите за измерване, компютърно моделиране на ресурсите, измерване и събиране на данни на място. Неопределеността остава най-висока при избор на нов вид терен, например на разстояние от брега, горски местности или такива с условия за заледявания.

Необходима е допълнителна работа за разработване на методи за измерване, моделиране и стандартизиране на най-добрите практики. Допълнително подобрение на моделите изисква провеждане на кампании за измерване на различни терени, за да бъде възможно изграждането на многофункционални обекти за сложните въздушни течения.