Представьте, что в море установлена огромная ветровая турбина. Её башня с 250-тонной гондолой наверху достигает высоты ста метров над поверхностью воды. Шестидесятиметровые лопасти описывают круги в солёном тумане. А теперь удвойте размеры, а массу увеличьте в пять раз.

Специалисты, работавшие над европейским проектом InnWind (2012–2017), подсчитали: если по доступным в то время технологиям построить 20-мегаваттную ветровую турбину, она будет иметь гондолу массой примерно 1300 тонн, в которую должен поместиться генератор диаметром 14 метров. Каждая из трёх лопастей при длине 120 м потянет на 40 тонн. Для того чтобы на высоте 170 метров над уровнем моря удерживать оборудование общей массой порядка 1700 тонн, потребуется монстроидальная башня.

«Проблема в том, что существующие технологии уже упираются в конструктивные пределы, – объяснял Айкер Марино, инженер-электротехник в группе возобновляемой энергии и энергонакопителей, работавшей в Испании в рамках европейского проекта Suprapower по созданию ветровой турбины со сверхпроводниками. – Масса оборудования, которое нужно разместить в гондоле, слишком велика».

В один прекрасный день строители морских ветропарков с этой проблемой столкнутся. Операторы ветровых станций требуют всё более мощных турбин, и, судя по планам производителей, к середине текущего десятилетия на рынке должно появиться несколько серийных ветроустановок мощностью 13–15 МВт. Но вряд ли компании смогут продвинуться дальше простым масштабированием технологий, имеющихся ныне.

СВЕРХ И СУПЕР

Проблему дальнейшего увеличения мощности ветрогенераторов можно решать с помощью сверхпроводников. Так, согласно инженерным расчётам, благодаря применению сверхпроводящих обмоток вполне реально сократить диаметр генератора до одиннадцати метров, чтобы уменьшить и облегчить гондолу, снизив нагрузку на башню до 1550 тонн (см. рис. 1).

Рис. 1. Развилка на дороге: на каких принципах строить сверхмощные ветровые турбины?

Учёные и инженеры, уже много лет работающие над этой задачей в международных проектах, говорят, что это будет монументальное технологическое достижение. Не только из-за технических трудностей, но и потому, что альтернативные варианты с постоянными магнитами из редкоземельных элементов стали экономически более привлекательными. Редкоземельные металлы дешевеют, и из них производятся магниты всё лучшего качества, так что конкуренция нарастает. Если не произойдёт прорыва в производстве сверхпроводящих обмоток, без них смогут обойтись даже 20-мегаваттные турбины.

ДОЛОЙ МУЛЬТИПЛИКАТОР

Ротор турбины вращается довольно медленно, а для эффективной выработки электроэнергии необходимо быстрое изменение магнитного поля в обмотке. Поэтому ветровые турбины оснащаются механическими мультипликаторами, увеличивающими обороты в сотни раз.

Мультипликаторы имеют большую массу, требуют периодического обслуживания и ремонта, использования смазки, так что разработчики турбин стремятся от них избавиться. С этой целью разработаны генераторы с прямым приводом, в которых на роторе большого диаметра располагается множество магнитов (электрических или неодимовых). Благодаря этому магнитное поле в обмотках статора быстро меняется даже при низкой скорости вращения ротора.

БЕЗ РЕДКИХ ЗЕМЕЛЬ

Именно такая система прорабатывалась в европейском проекте Suprapower для 10-мегаваттного генератора со сверхпроводящими обмотками (см. рис. 2). В качестве материала для изготовления сверхпроводника был выбран диборид магния. Это не самый высокотемпературный, но относительно недорогой сверхпроводник. На ободе ротора помещаются 48 криостатов с обмотками, охлаждаемыми до температуры ниже 40 K. Поток криогенной жидкости поступает по трубкам через вал генератора.

Рис. 2. Конструкция генератора со сверхпроводящими обмотками в проекте Suprapower

В данном случае сверхпроводник устраняет ограничение на плотность тока в медном проводнике. В экспериментальной обмотке получен ток плотностью 58 A/кв. мм, при которой медь быстро расплавилась бы. Стоит отметить, что в предложенной концепции из сверхпроводящего материала изготавливаются только обмотки возбуждения. Явление сверхпроводимости помогает заменить тяжёлые магниты из редкоземельных металлов на лёгкие обмотки в роторе, но ничего не даёт для снижения размеров и массы статора.

В рамках проекта итальянская компания Columbus Superconductors изготовила два криостата со сверхпроводящими обмотками. При этом хрупкий сверхпроводник MgB2 был встроен в медную ленту. Медь предохраняет его от поломки и отводит тепло. Обычно сверхпроводники погружают прямо в криогенную жидкость, но в данном случае инженеры предпочли организовать теплоперенос для упрощения процедур технического обслуживания и ремонта. Стремились к тому, чтобы для замены одного электромагнита не приходилось размораживать все 48 криостатов. Расчёты подтвердили, что предлагаемый подход позволяет построить 10-мегаваттный генератор массой 163 тонны, сократив вес на 26% по сравнению с конструкцией на магнитах из «редких земель».

И хотя проект Suprapower завершился в 2017 году, идея не потеряла свою привлекательность. Сегодня американская компания GE Research пробует другой подход: криостаты со сверхпроводящими обмотками возбуждения располагаются на неподвижном статоре, а в роторе находятся медные обмотки, с которых снимается вырабатываемое напряжение. Согласно компании, возбуждающие обмотки будут «заряжаться» током и после этого замыкаться. В отсутствие потерь в катушке магнитное поле может существовать сколь угодно долго. Если что-то пойдёт не так, электромагниты будут «заряжены» заново. Впрочем, нельзя сказать, что это позволит кардинально снизить потребление энергии на собственные нужды: восемь криокулеров должны работать постоянно. Инженеры из GE рассчитывают построить работающий образец генератора в 2023 году.

МАГНИТНЫЙ УДАР ПО ПЛАНАМ

С 2011 года цены редкоземельных металлов (а с ними и магнитов) быстро пошли вниз, отчего проекты по разработке ветроустановок со сверхпроводящими обмотками возбуждения потеряли свою привлекательность. Более того, для «редких земель» нашлись даже новые варианты применения. Речь о замене шестерёнчатого мультипликатора магнитным, в котором нет физического контакта поверхностей и, как следствие, нет смазки, механического износа шестерней и потерь энергии.

Магнитный мультипликатор, разработанный английской компанией Magnomatics, состоит из нескольких вложенных друг в друга цилиндров, в которые встроены мощные неодимовые магниты с чередующимися разными полюсами. Со статором мультипликатор объединяется в конструкцию, получившую название «генератор с псевдопрямым магнитным приводом» (см. рис. 3).

Рис. 3. Перспективный генератор с псевдопрямым магнитным приводом

Принцип его действия проще всего понять по видеозаписи.

На сегодня турбины с псевдопрямым магнитным приводом выглядят как наилучший вариант технологии для выхода на уровень 20 МВт.

Окончание статьи здесь.

zen.yandex.ru

Экономика СССР 1929-1955 годы. Причины феноменального роста