Ученые Северокитайского университета электроэнергетики, Китайского научно-исследовательского института электроэнергетики и Университета Сиань Цзяотун совместно с коллегами из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии предложили превратить башни ветрогенераторов в гравитационные накопители энергии. По их расчетам, новая технология позволит на 16% уменьшить перепады частоты в электросети, на 62% снизить колебания башни под действием ветра и в идеальных условиях увеличить расчетный срок ее службы почти в 50 раз. При этом для создания такого накопителя не потребуется строить отдельные сооружения, вместо этого будет использована уже существующая башня ветрогенератора.
По мере роста доли ветровой и солнечной генерации энергосистемы становятся менее устойчивыми. В отличие от традиционных тепловых и гидроэлектростанций, современные ветровые турбины почти не обладают собственной механической инерцией, которая помогает сглаживать резкие изменения частоты в сети. Сегодня для решения этой задачи все чаще используют аккумуляторные батареи, однако они дороги, постепенно деградируют из-за частых циклов зарядки и разрядки и через несколько лет требуют замены.
Исследователи предложили использовать уже существующую конструкцию ветрогенератора. Внутри башни размещается тяжелый груз массой несколько десятков тонн, соединенный с электродвигателем-генератором. Когда в энергосистеме возникает избыток, двигатель поднимает груз вверх, запасая потенциальную энергию. Когда мощности, наоборот, не хватает, груз опускается вниз и вращает генератор, возвращая электроэнергию в сеть.
Причем этот груз одновременно работает как активный динамический демпфер. Такой же принцип как известно давно используется в небоскребах, где массивные противовесы помогают зданиям меньше раскачиваться при сильном ветре. В ветрогенераторе же груз движется таким образом, чтобы компенсировать колебания башни и снизить нагрузку на ее конструкцию.
Для проверки своей идеи исследователи смоделировали работу трех типов турбин мощностью от 300 кВт до 10 МВт, а также ветропарка из 30 турбин общей мощностью 101 МВт. В расчетах использовались реальные данные о скорости ветра, что позволило оценить работу в условиях естественной турбулентности.
Компьютерное моделирование показало, что технология эффективно работает как на небольших ветрогенераторах, так и на крупных ветропарках. Во всех рассмотренных моделях она уменьшала перепады частоты в электросети на 11–16%. Для эталонной 10-мегаваттной турбины расчеты также показали снижение колебаний башни на 62%, а ускорений в ее верхней части — почти на 57%.
При этом разработка не предназначена для длительного хранения больших объемов энергии. Например, для морской турбины мощностью 10 МВт такой накопитель способен запасать около 12 кВт·ч электроэнергии — примерно столько же, сколько домашняя аккумуляторная батарея. Поэтому его основная задача не заменить промышленные системы хранения энергии, а быстро реагировать на резкие изменения частоты в сети и тем самым повышать устойчивость энергосистемы.
Еще одним преимуществом технологии является отсутствие необходимости строить отдельные гравитационные накопители. В отличие от большинства подобных проектов, которым требуются собственные башни, шахты или склоны гор, новая система использует уже существующую башню ветрогенератора. Для экстремальных погодных условий предусмотрен аварийный режим: при очень сильном ветре груз автоматически опускается к основанию башни и фиксируется, чтобы не создавать дополнительную нагрузку на конструкцию.
По оценке исследователей, в перспективе подобной системой можно оснастить ветрогенераторы общей мощностью около 200 ГВт по всему миру. В этом случае они смогут обеспечивать инерционную поддержку энергосистемы, сопоставимую с той, которую сегодня создают около десяти крупных угольных электростанций, хотя объем запасаемой энергии останется сравнительно небольшим.
