На конференции в Киото (декабрь, 1997) была принята Конвенция по климату, согласно которой страны должны стремиться к сокращению выбросов парниковых газов в атмосферу. Значительную долю подобных выбросов, ведущих к парниковому эффекту, дает традиционная энергетика, основанная на сжигании углеводородного топлива.
ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ
Во 2-й пол. 80-х гг. в СССР на долю ТЭС приходилось 76,5% вырабатываемой электроэнергии, ГЭС – 13,5%, на АЭС – 10%. Именно тепловые электростанции (в особенности работающие не на мазуте или природном газе, а на угле) делают самый большой «вклад» в загрязнение окружающей среды. Самые современные ТЭС остаются многоотходными, выделяя в атмосферу тонны кобальта, никеля, хрома, ртути, марганца, титана, фтора, тысячи тонн сернистого ангидрида, оксилов азота, золы; засоряя десятки гектаров окружающей местности шлакоотвалами.
Что касается гидроэлектростанций, то относительно низкая себестоимость получаемой на них энергии сводится на нет в самом начале огромными вложениями в строительство, то есть их окупаемость очень низкая. ГЭС, не загрязняя природу выбросами, в то же время разрушительно воздействуют на естественные процессы, происходящие в реках – нарушается течение реки, динамика водообмена, способность к самоочищению. Ухудшается качество воды, в гипертрофированных размерах происходит массовое размножение сине-зеленых водорослей («цветение» воды), что приводит к гнилостным процессам. Перепады температуры и уровня воды разрушают берега. Все это – результат создания водохранилищ при каждой ГЭС.
Самый же внушительный ущерб от строительства ГЭС заключается в затоплении огромных площадей пойменных плодородных земель, как и прилегающих земель, которые подтапливаются, заболачиваются. Особенно вредоносными в этом отношении являются равнинные водохранилища. Сюда необходимо добавить и массовое переселение людей с нажитых мест, потерю населенных пунктов, гибель множества памятников истории и культуры.
Также плотины ГЭС препятствуют сложившимся путям миграции и нереста проходных рыб.
Меры по преодолению разрушительного воздействия энергетики на природу должны заключаться в следующем. Во-первых, необходимо взять за правило обязательное оборудование на всех типах ТЭС установок по улавливанию отходящих газов и, прежде всего, сернистого ангидрида. Из уловленного сернистого ангидрида в процессе переработки получается серная кислота и кристаллическая сера, необходимые в промышленности.
Во-вторых, актуально внедрение новых технологий, обеспечивающих более экономный расход топлива, а значит позволяющих значительно понизить уровень вредных выбросов. Применение «чистых» процессов сжигания угля позволит во много раз повысить КПД ТЭС, сократить объем сжигаемого топлива и в результате – снижение выбросов в окружающую среду.
В строительстве ГЭС предпочтение следует отдавать малым и средней мощности электростанциям, для которых не требуются гигантские водохранилища, а значит будет исключено широкомасштабное затопление и нарушение речных экосистем. Будущее за новыми разработками турбин и генераторов для малых станций, не требующих возведения зданий и плотин. Крупные же ГЭС должны строиться на отводных рукавах больших рек, что также позволит обойтись без колоссальных сооружений – плотин и водохранилищ.
В атомной энергетике имеются свои проблемы – это проблема захоронения и обезвреживания радиоактивных отходов, и вероятность возникновения аварийных ситуаций и крупных аварий на АЭС. Достаточно одного печального примера с Чернобыльской катастрофой. В решении проблемы безопасности атомных станций существенным выглядит предложение отдельных ученых о размещении АЭС в отработанных крупных карьерах (глубина до полукилометра, скальное основание, отсутствие водоносных горизонтов). Вокруг таких открытых горных разработок складывается незаселенная опустошенная местность («лунный» ландшафт), поэтому в случае аварии риск распространения смертоносной радиации значительно меньше. К тому же облегчается захоронение АЭС в глубоких карьерах.
Очень важным на современном этапе, при сложившейся экологической обстановке, представляется переход на альтернативные, возобновляемые источники энергии. Речь идет об энергии ветра (ветряные электростанции и ветроэнергетические установки), солнца (солнечные батареи и гелиостанции), морских приливов и отливов, внутреннего тепла Земли, геотермальных вод, отходов сельхозпроизводства (биомассы).
Необходимо отметить, что именно ветроэнергетика представляется одним из наиболее перспективных направлений в разработке и внедрении альтернативных источников энергии. В мире темпы развития ветроэнергетики в последние годы составляли около 30% в год, что превышает темпы роста других энергетических технологий. Исследования долгосрочных перспектив показывают, что энергия ветра может стать одним из наиболее эффективных возобновляемых «чистых» энергоресурсов.
Странами ЕЭС за счет нетрадиционных и возобновляемых источников энергии планируется обеспечить 22% своих энергетических потребностей к 2010 г. и 50% к 2050 г. В настоящее время наибольшие практические успехи в этом направлении достигнуты в области ветроэнергетики. В ряде стран Европы, США, Канаде перешли от внедрения отдельных ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью в десятки и сотни киловатт к строительству наземных и морских парков таких ВЭУ – ветроферм суммарной мощностью в десятки и сотни мегаватт с целью использования энергии ветра в промышленных объемах.
Правительство РБ и Президент Башкортостана уделяют самое пристальное внимание развития нетрадиционной энергетики. При прямой поддержке руководства республики уже построены и введены в эксплуатацию несколько газотурбинных электростанций и мини-ГЭС на малых реках. Начала работать первая ветроэлектростанция «Тюпкильды» мощностью 2200 кВт. Персоналом Октябрьских электросетей ОАО «Башкирэнерго» уже накоплен достаточный опыт эксплуатации ВЭУ.
ВЭУ – НОВЫЕ РЕШЕНИЯ СТАРЫХ ПРОБЛЕМ
Известно, что все ВЭУ как в нашей стране, так и за рубежом вырабатывают только переменный электрический ток. Большие трудности при этом возникают в связи с необходимостью удержания постоянства уровня напряжения и особенно поддержание частоты (50 периодов в секунду). Это вызвано непостоянством и периодическими колебаниями ветра. Поэтому создаются технические трудности при параллельной работе с энергосистемой.
По технико-экономической целесообразности возникает необходимость создания таких технических устройств генераторов, которые могли бы производить постоянный электрический ток с исключением резких колебаний уровня напряжения и с отсутствием сложных технических устройств по контролю за частотой колебательных процессов.
При этом существующие электроприемники без вращающихся частей будут успешно работать и на постоянном токе с увеличенным техническим ресурсом, а устройства с вращающимися частями, как, например, двигатели, будут изготовляться униполярными и также работать на постоянном токе. Автономная малая энергосистема, как правило, будет работать на одном уровне напряжения. При необходимости других уровней напряжения будут использоваться делители напряжения.
УНИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
В решении вышеозначенных проблем успехов добились наши соотечественники – изобретатели из Уфы Н. Г. Ермилов и А. Н. Филиппов. Им удалось создать принципиально новый образец униполярного многовиткового торцевого генератора с самовозбуждением, а кроме того – устройство генератора постоянного тока с независимым возбуждением для дальних передач больших мощностей. При этом все устройства генераторов являются обратимыми.
Мы задали ряд вопросов одному из авторов изобретений – Н. Г. Ермилову.
– Николай Григорьевич, в чем отличие вашего устройства от других ВЭУ?
– Известно, что к устройствам, преобразующим энергию ветра, предъявляются требования по регулированию скорости вращения ветроколеса для обеспечения равномерности подачи и сохранения уровня выдаваемого напряжения. Существенным недостатком серийно выпускаемых коллекторных и вентильных электрических машин является наличие коллектора как средства токосъема и коммутации, которое резко снижает надежность и технический ресурс, а щеточно-контактные узлы в подвижной обмотке якоря не позволяют получить высокий уровень напряжения и необходимую мощность.
Магнитопроводы якоря и индукторы в целях устранения вихревых токов выполняются из наборных листов дорогой электротехнической стали, что резко повышает стоимость изготовления генератора. Есть и другие отрицательные нюансы технического характера.
Все эти и другие недостатки полностью устраняются в изобретенных нами устройствах униполярных, бесколлекторных, многовитковых торцовых генераторах.
– И как вам удалось обойти конкретные проблемы традиционных ВЭУ?
– Скорость ветра в значительной части территории Башкортостана не бывает ниже 3-5 сек., что обеспечивает постоянную работу автономных ВЭУ, так как для трогания ветроколеса ВЭУ требуется 2,5 м/сек. Изобретатели из УГАТУ Ф. Р. Исмагилов, И. Х. Хайруллин и Ю. В. Афанасьев создали новый ветродвигатель с устройством регулирования скорости ветроколеса.
В нашем устройстве многовитковость генератора обеспечивается весьма важной новизной – в электрическую цепь неподвижной обмотки якоря введено тело магнитопровода с созданием множества параллельных ветвей, а сама электросхема становится последовательно-параллельной, то есть многовитковой.
Отсутствие колебательной по величине и переменной по направлению электродвижущей силы, с обеспечением постоянства получаемого напряжения, позволяет использовать для изготовления якорной обмотки не дорогой цветной металл, а ферромагнитный сплав, что существенно удешевляет стоимость изготовления генератора.
– Каковы технические характеристики вашей ВЭУ?
– КПД новых устройств генераторов не ниже 0,95. Мощность генераторов не менее 100 кВт, напряжение – до 1000 в. Мощность еще одного разработанного нами генератора – до 10000 кВт, а напряжение – до 10 кв.
– И напоследок несколько слов о перспективах внедрения ваших ВЭУ в народном хозяйстве.
– Продолжающееся реформирование электроэнергетики страны в режиме развития рыночных отношений и конкуренции будет способствовать созданию малых энергосистем на крупных, экономически стабильных частных акционерных компаниях, промышленных предприятиях, фермерских хозяйствах.
С массовым производством изобретенных бесколлекторных униполярных многовитковых электрических машин, постоянный электрический ток, по технико-экономической целесообразности, придет на смену переменному току.
БУДУЩЕЕ ЗА МАЛЫМИ ЭНЕРГОСИСТЕМАМИ
Ограниченность запасов органического топлива, увеличение его стоимости и ухудшение экологической обстановки обуславливают необходимость всемерного использования возобновляемых источников энергии, в частности энергии ветра.
Возрастает потребность в дешевых и доступных источников электроэнергии на альтернативной основе не только для крупных и средних предприятий промышленности, аграрного сектора, транспорта, но и для мелких частных хозяйств, жилых домов, дачных и садовых участков.
Основным направлением, на наш взгляд, будет применение нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, в том числе ветроэнергии, что соответствует требованиям экоразвития и международным соглашениям по Киотскому протоколу 1997 г.
В этом плане опыт наших земляков может оказаться весьма востребованным как у нас в стране, та и во всем мире.
Эдуард БАЙКОВ, http://www.proural.info