Электроэнергетика в изолированных и труднодоступных территориях России характеризуется ростом производственных издержек и себестоимости производимой электроэнергии, что вызвано прежде всего моральным и физическим устареванием используемого оборудования и технологий, а также увеличением цен на привозное топливо для электростанций [1]. Проблема может быть частично решена путём модернизации генерирующих объектов за счёт в том числе объектов ВИЭ-генерации, к которым можно отнести ветроэлектрические установки (ВЭУ). Применение ВИЭ позволит сократить использование товарных углеводородов или дорогого дальнепривозного топлива, в результате чего будет обеспечено снижение объёма бюджетного субсидирования, к тому же сократится эмиссия вредных веществ в атмосферу.
В России изолированные населённые пункты и производственные объекты, как правило, располагаются в области сложных климатических условий. К таким районам можно отнести прибрежную зону северных морей, где среднегодовая скорость ветра составляет 6–7 м/с — данный факт играет важную роль в решениях по внедрению ВЭУ [2].
Фото 1. Лопасти без противообледенительной системы
При эксплуатации ВЭУ в холодных климатических условиях неизбежно происходят значительные перепады температур, включая «переходы через 0°C», нередко сопровождающиеся выпадением осадков и наличием определённой влажности. В таких ситуациях на рабочих органах ВЭУ могут образовываться иней или наледь (фото 1), из-за чего возникает ряд проблем и рисков:
1. Ухудшаются аэродинамические свойства лопастей, снижается эффективность, появляется дисбаланс, что может вызвать разрушение ротора ВЭУ. Бóльшая часть территории России относится к пятому классу обледенения. Для территорий пятого класса период обледенения составляет более 60 дней в году, что может приводить к потерям выработки свыше 40% [4].
2. Лёд на лопастях турбины может увеличить уровень шума, тем самым потенциально нарушая правила разрешения на строительство.
3. Сорвавшийся с лопасти лёд может создавать угрозу безопасности для людей, находящихся поблизости.
Следовательно, необходимо управлять рисками обледенения и снижать их всеми возможными мерами. Одной из актуальных задач для достижения данной цели является изучение и анализ существующих противообледенительных технологий для адаптации оборудования ВЭУ к суровым условиям эксплуатации [3].
Исторически различные системы защиты от обледенения разрабатывались научно-исследовательскими институтами, независимыми поставщиками систем и производителями турбин с 1990-х годов и по настоящее время [5]. Все разработанные системы действуют по методам, представленным на рис. 1.
Рис. 1. Методы защиты от обледенения
Активный метод защиты (AI) заключается в предотвращении значительного образования льда на лопастях ветровых турбин, позволяя турбине работать в нормальном режиме. Важно отметить, что для того, чтобы данная система работала эффективно и вовремя срабатывала, в неё должны быть интегрированы датчики обледенения, которые могут быстро и точно определять отклонения ключевых параметров. В ситуации нарастания льда на лопастях производится (или не производится — в системах с anti-icing) останов турбины с последующей активацией системы удаления льда.
Большинство систем защиты от обледенения контролируются методом анализа кривой мощности с использованием специальных детекторов обледенения на гондоле или лопасти (или их комбинации). Считывание показателей по кривой мощности происходит при температуре гондолы ниже 0°C и требует одновременного отклонения от ожидаемых показателей. Специальные детекторы обледенения обычно устанавливаются наверху гондолы [5]. Таким системам требуется источник питания.
Пассивный метод заключается в нанесении на поверхность лопастей различных по типу и свойству покрытий (антиадгезионных, супергидрофорбных, светопоглощающих и химических), которые имеют свойства препятствовать возникновению или скоплению снежных образований. Таким системам не требуется источник питания.
Далее представлены существующие в настоящее время технологии, основанные на активном и пассивном методах защиты, а также их упрощённый принцип действия [5, 6]:
1. Система защиты от обледенения, использующая горячий воздух, имеет источник тепла в сочетании с мощным вентилятором для циркуляции горячего воздуха к различным частям лопасти.
2. Электротермическая система имеет нагревательные элементы, обычно из углеродного волокна, расположенные на внешней поверхности лопасти.
3. У микроволновой системы защиты от льда есть специальное внешнее покрытие на поверхности лопасти, которое нагревается при воздействии микроволн, создаваемых генераторами внутри лопасти.
4. В ультразвуковой системе принцип действия основан на разрушении льда при воздействии на него ультразвукового излучения определённой частоты, генератором которого являются пьезоэлектрические датчики, расположенные внутри лопасти.
5. Система контролируемой вибрации включает в себя адаптивные демпферы (Adaptive Damping System), установленные на лопастях, при срабатывании которых возникает ударная волна, устраняющая обледенение.
6. В системе, использующей пневматические баллоны, принцип действия основан на разрыве связи между льдом и поверхностью за счёт деформации лопасти путём закачки сжатого воздуха во внутренние гибкие баллоны.
7. В пассивной системе, в случае использования антиадгезионных и супергидрофорбных материалов, капли воды и частицы льда отталкиваются от поверхности лопасти. При использовании светопоглощающих красок лопасть нагревается от солнечного излучения, вследствие чего происходит таяние и сбрасывание льда. Покрытия с химическим веществом понижают температуру замерзания капли воды, что способствует образованию водяной плёнки между льдом и поверхностью лопасти.
8. Механическая система удаления включает в себя ручное удаление обледенения с помощью верхолазного оснащения или подъёмника, а также удаление льда с вертолёта (или дрона) с использованием горячих жидкостей.
В табл. 1 представлены системы защиты от льда, разделённые по методам и различным технологиям [5–8].
На основе климатических критериев территория России разделена на четыре зоны по степени применяемых адаптационных мероприятий оборудования ВЭУ (рис. 2) [4]. Климатические характеристики зон и применяемые методы защиты от обледенения в них приведены в табл. 2 [4].
Рис. 2. Районирование территории Российской Федерации по степеням адаптации
Каждый случай необходимо тщательно изучать, чтобы выбрать оптимальное решение по адаптации оборудования ВЭУ, что в итоге приведёт к снижению затрат по всему проекту. Кроме того, необходимо учитывать, что технологии развиваются быстро, и появляются новые методы решения рассматриваемой проблемы.
Можно констатировать, что для увеличения надёжности ветровых установок, располагаемых в районах с холодным климатом, безусловно необходимо устанавливать противообледенительные системы в целях увеличения предсказуемости выходных характеристик ветровых турбин в условиях обледенения. В противном случае высокий ветровой потенциал таких районов не станет преимуществом и не обеспечит повышенное производство энергии.
