Проект 50-мегаваттного морского ветрогенератора по прототипу пальмы

 

Лопасти 50-мегаваттной турбины будут как минимум длиной в 200 метров, что равняется двум футбольным полям.

Группа ученых создают новаторский проект 50-мегаваттного прибрежного ветрогенератора, примерно в 6 раз превышающего по мощности предыдущего 8,8-мегаваттного рекордсмена, установленного на побережье Шотландии. Испытания прототипа пройдут этим летом в штате Колорадо.

Огромная турбина отличается от обычной своим разворотом в противоположную сторону. Обычная стандартная ветровая турбина, устанавливаемая в наши дни, — это машина с тремя лопатками, расположенными навстречу ветру.

Лопатки так называемого сегментированного ультралегкого ротора с изменяемой формой (SUMR) будут развернуты наоборот, по ветру. Создать проект «плыви по течению» вдохновили пальмы, которые эволюционировали, чтобы выдерживать ураганные ветры.

Точно так же как и пальмы прогибаются по направлению ветра, сегментированные лопатки турбины с ротором SUMR будут складываться при сильном ветре.

«Мы стараемся снизить вес конструкции, чтобы уменьшить износ и повреждения», — говорит Эрик Лот в интервью. Лот — заведующий кафедрой авиа- и ракетостроения в университете штата Вирджиния, а также лидер проекта SUMR.

Команда разработчиков верит в то, что проект с расположением ротора по ветру сделает возможным установку ветрогенераторов максимальных размеров в районы США, такие как Южно-Атлантическое побережье и Мексиканский залив.

Грант

В ноябре 2015 года команда исследователей Университета Вирджинии получила грант 3,56 млн долларов США сроком на 3 года от Управления по перспективным научным исследованиям в области энергетики (APRA-E) на создание 50-мегаваттной турбины SUMR. Члены команды представлены исследователями из Университета штата Иллинойс, Университета штата Колорадо, Высшего горнотехнического училища штата Колорадо, Национальной лаборатории возобновляемой энергии и Национальных лабораторий в Сандии.

Группа исследователей регулярно встречается с отраслевой комиссией экспертов, в которую входят представители крупнейших производителей GE (General Electric), Siemens и Vestas.

Команда ученых задалась целью спроектировать 50-мегаваттный ветрогенератор, чтобы снизить нормированную стоимость ветровой электроэнергии на 50 процентов к 2025 году. «Нам не обязательно придумывать турбину с более высоким КПД, нам нужна такая, которая стоит и обуслуживается дешевле», — заявляет Лот.

«Чтобы создавать что-то большее, с технологической точки зрения приходится делать что-то не так, как другие», — говорит в интервью Тодд Гриффит, доцент кафедры машиностроения Университета Техаса в Далласе и член команды разработчиков.

Сбросим вес, чтобы вырос масштаб.

Главная цель проекта — уменьшить вес лопаток. Дополнительный вес увеличивает общую нагрузку на ступицу турбины и, по словам Гриффита, это и есть главное препятствие при строительстве лопастей максимального размера для турбины со встречным расположением ротора.

«Уменьшение веса даст сильный толчок в продвижении проекта», — думает Гриффит, изучавший 100-метровые лопасти еще 10 лет назад членом команды разработок в области прибрежной ветровой энергии в Национальных лабораториях в Сандии.

Обычные лопасти чаще всего делаются из стеклопластика с добавлением углеволокна. Можно добавить углеволокна и побольше для прочности, но это уже встанет в копеечку.

Для того, что углеволокно является отраслевым рабочим эталоном, есть много причин. Лот поясняет: оно недорогое и обладает хорошими прочностными характеристиками.

Гриффит рад продолжающемуся исследованию на деньги Министерства энергетики США по снижению стоимости углеволокна. «Это как раз то, что может действительно пригодится в нашем исследовании», — надеется он.

Сегментированные лопатки легче устанавливать

Ученые группы уверены, что стандартная конструкция с расположением против ветра и обычными лопастями не позволит им достичь главной цели проекта — максимально возможного размера генератора.

«Обычные лопасти становится дорого использовать и доставлять при мощности свыше 10-15 МВт. Они должны быть жесткими, чтобы не погнулись и не ударились о башню при сильных порывах», — говорил Гриффит в выступлении после получения гранта от ARPA-E.

Еще одна задача — логистика. Лопасти турбин делают все больше и больше, — в прошлом месяце концерн GE представил впервые турбину Haliade-X с лопатками длиной 107 метров, — а перевозить их с завода на место монтажа становится все сложнее и сложнее.

Ожидается, что лопасти для 50-мегаваттного ветряка будут как минимум 200 метров в длину. Вмонтированные ближе к ступице шарнирные соединения позволят лопастям полностью складываться при ураганном ветре. Застройщикам ветропарков не нужно будет думать, как доставить элементы длиной в два футбольных поля, потому что они будут делиться на 5-7 сегментов и собираться на месте монтажа.

Суперлегкие лопатки будут отгибаться в сторону ветра, или как говорят сами разработчики, «деформироваться в направлении потока».

Испытания прототипа планируются на конец лета в Колорадо.

Команда исследователей скоро передаст свой концептуальный проект на испытания в реальных условиях. В конце лета будет испытываться образец, сконструированный по проекту 105-метровой лопатки 13,2-мегаваттной турбины SUMR в масштабе один к пяти.

Ротор с двумя 21-метровыми лопатками установят на 12-этажную башню турбины в Национальном центре лаборатории NREL по изучению технологий использования ветровой энергии на юге города Боулдер штата Колорадо.

Производством лопастей занимается компания Janicki Industries, расположенная на севере штата Вашингтон и специализирующаяся на современных композитных материалах и металлах для специального применения. Доставка планируется на начало лета.

«Мы делаем то, что еще не делалось раньше в том, что касается моделирования нагрузки и динамики полномасштабной турбины», — рассказывает Тодд Гриффит. «У нас есть возможность заложить все характеристики в модель масштаба 1:5, которую будет испытывать гораздо дешевле.

Полученные данные испытаний образца будут снова обработаны командой для создания проекта модели. Команда планирует завершить проект 50-мегаваттной ветровой энергогенерирующей установки к следующей весне.