Технологични предизвикателства пред развитието на вятърната енергетика

През следващите десет години се очакват сериозни промени в технологиите за преобразуване на вятърната енергия в електрическа. Тенденциите обхващат почти всички аспекти на дизайна и работата на ветроенергийните съоръжения и начините за присъединяването им към електрическата мрежа. В следващите редове ви представяме визията на специалисти в областта на вятърната енергетика за предстоящите промени и предизвикателствата, пред които ще бъдат изправени производителите на ветрогенератори и операторите на електропреносните мрежи.

Оптимизиране на контрола
Оптималният контрол ще остане ключов фактор за безпроблемната и безопасна експлоатация на вятърните турбини. Постигането му е възможно само при интелигентна технология на сензорите и своевременен трансфер на данните за състоянието на механичните и електрически части на турбината. Получената информация допринася за навременната промяна в експлоатационната стратегия на парка с цел максимализиране на производството на енергия и повишаване на безопасността на компонентите. Подобрените възможности за трансфер на данните и системите за подпомагане на решенията на операторите ще позволят оптимизирането на работата на всяка една турбина във вятърния парк, независимо от експлоатационните условия, в които функционира.

Дизайн на роторните перки
В следващото десетилетие се очаква появата на по-сложен дизайн на роторните перки. Ключови аспекти ще бъдат здравината, устойчивостта на натоварвания и влиянието им върху производителността на турбината. Повечето от съвременните ветрогенератори имат вградена функция за управление на ъгъла на лопатките спрямо посоката на вятъра (pitch control), позволяваща при по-слаб вятър, лопатките да се обръщат в посока, в която го улавят максимално. На базата на измерения ъгъл на работните лопатки, системата, регулираща стъпката им (pitch drive) и системата за ориентация на ротора (azimuth drive), осигуряват експлоатация на ветрогенератора в границите на определения работен обхват. Според специалистите, по-бърза реакция би могла да бъде постигната, ако самата перка на ротора се извие, когато натоварването върху нея се повиши. Това може да се постигне, ако перките на турбините бъдат разработени с известна извивка. Друго възможно решение е ориентирането на съставляващите перката влакна по начин, който да позволява лесно усукване при натоварване от вятъра. Очаква се разработката на интелигентни перки с активно управление, които самостоятелно да могат да променят своите аеродинамични характеристики в съответствие с измерените товари.

Директно задвижване на генератора
Повечето турбини използват предавателни механизми, за да повишат скоростта на генератора, но те са склонни към аварии и увеличават допълнително масата на турбината. Поради тази причина, някои производители започнаха да заменят предавателните механизми с постоянен магнитен генератор с директно задвижване, който, в комбинация с подходящ преобразувател, може да бъде свързан към мрежата. Тази опция също има своите предизвикателства, тъй като цената и теглото й в момента надвишават параметрите на по-конвенционалните дизайни с предавателен механизъм. Въпреки това, подходът е многообещаващ, особено ако постоянните магнити станат по-евтини и по-мощни, и производителите успеят да разработят по-леки материали и по-гъвкави преобразуватели на напрежението. Според предвижданията на специалистите, опциите за директно задвижване ще бъдат по- конкурентоспособни от гледна точка на цена към 2020 г. и най-вероятно ще доминират на пазара.

Вятърните паркове в морето
По отношение на турбините, инсталирани на сушата, тенденциите са насочени главно към повишаване на тяхната интелигентност и разработването им за конкретен проект в съответствие със спецификите на мястото за инсталация. Увеличаването на размера им е ограничено от възможностите за транспортиране на турбините по суша. Що се отнася до турбините в морето, през 2020 г. те вероятно ще бъдат с по-големи размери и ще се инсталират по-далеч от брега. В момента монтажът на турбини в морето се ограничава до плитки води (20-30 м) и при повечето се използва единична, цилиндрична, еднополюсна основа. За по-дълбоки води ще бъдат разработени различни конструкции тип „риза”, които се състоят от няколко основи и ще са подобни на конструкциите за добив на нефт и газ в морето. Според изследователите, оптимизираните типове платформи и по-задълбоченото проучване на влиянието на товарите върху конструкцията на основите ще повиши използваемите дълбочини до около 50 м.

Към края на следващото десетилетие за вятърните турбини масово ще се използват и плаващи платформи, което ще им позволи да работят при почти неограничени дълбочини и на места, при които вятърът е с най-добри показатели. Тук предизвикателството ще бъде свързано със създаването на подходящи кабели, с които да се осъществи връзката с електропреносната мрежа.

Тъй като плаващите турбини ще изискват по-дълбоки води за свързване (скачване на гондолата към опорната конструкция), те ще изискват и нови методи на монтаж. Като нова концепция се явяват напълно сглобените турбини, които могат да бъдат транспортирани хоризонтално, с баржа, от фабриката до площадката в морето. След като пристигне на площадката, баржата се накланя на 90 градуса и освобождава турбината във вертикална позиция. Ако свързаните с изправянето и освобождаването на турбините предизвикателства бъдат разрешени, хоризонталните монтажи ще се предлагат масово на пазара до 2020 г., предвиждат специалистите.

Междурегионални електропреносни мрежи
В рамките на следващото десетилетие много страни, особено в ЕС, ще бъдат изправени пред сериозни предизвикателства при управлението на променливата производителност на вятърните и слънчеви електроцентрали. Непостоянната генерирана мощност от възобновяемите източници на енергия ще бъде ключов проблем в бъдещия дизайн и експлоатация на енергоснабдителните системи. Необходимо е дългосрочно, устойчиво решение за междурегионалните електропреносни магистрали (т. нар. супермрежи) и хармонизиране на нормативните изисквания към мрежите във всички страни.

Изпълнението на целите на ЕС до 2020 г. за 20% електроенергия, произведена от възобновяеми източници, ще изисква добиването на около 50 GW вятърна енергия в региона на и около Северно море. Ветровете там са силно свързани и при своето движение вятърните фронтове удрят едновременно големи зони. Това води до рязко изменение в производителността на турбините в размер на няколко гигаватчаса. В подобни случаи, трансграничният обмен на енергия би позволил балансирането на мрежата върху по-голяма площ и търгуването й на повече пазари. Изграждането на подобни проекти за пренос, обаче, може да отнеме 10-15 години, поради дългите срокове на концесиите и честата обществена опозиция.

Друга важна мярка са изискванията към нормирането на електро¬мрежите по отношение на променливите енергийни източници. Много ветроенергийни централи в момента са задължени да предоставят пълна гама от допълнителни услуги, които включват реакция на честотата, регулиране за спадовете и пиковете на напрежението и реактивната мощност, корекция на грешки и ограничаване на свръхпроизводството. Въпреки че тези услуги са основни за стабилността на системата, по-малките вятърни и слънчеви електроцентрали са освободени от предоставянето на много от тях. Поради тази причина, повишаващото се количество енергия от възобновяеми източници ще постави нови предизвикателства пред електрическата система. Големите количества възобновяема енергия, които ще бъдат свързани към мрежите в много части на света, ще изискват сериозно повишаване на капацитета за пренос и въвеждането на нови регулативни мерки в електросистемите.

Експлоатация на супермрежите
Супермрежите ще свързват големи географски области в една унифицирана система и ще позволяват търгуването на значителни обеми електричество на дълги разстояния. Така например, в Европа ще позволят пренос на вятърна енергия, произведена в Северно море, заедно със слънчева енергия от Сахара до събирателни центрове в континенталната част. За тази мащабна интеграция на централи с променлива производителност ще бъдат използвани нови технологии като високоволтови инсталации за постоянен ток (HVDC), изключително високоволтови инсталации за променлив ток (UHVAC), издържащи на високи температури проводници с понижено провисване (HTLS) и гъвкави системи за пренос на променлив ток (FACTS). Свързването между отделните елементи на супермрежата и връзките й с европейската преносна система ще се осъществяват в специални супервъзли, където променливият ток ще се преобразува в постоянен, и обратно. Успешната експлоатация на супермрежите ще включва участници от различни страни и операторите на електропреносните мрежи ще трябва да отговарят за генерираните активи на междурегионално ниво. Това може да бъде постигнато само чрез обединение на мрежите, което да позволи изравняването на товарите поради различните схеми на консумация в отделните времеви зони.

Полагането на супермрежите ще донесе редица предимства, но и ще повиши опасността от сривове в системата, дължащи се на единични аварии с мащабни последици. Поради тази причина е необходимо разработването на надеждно управление на системата и възможности за бързо самовъзстановяване на мрежите.

Предизвикателства пред свързването на офшорните паркове
До 2020 г. значително ще се увеличи броят на вятърните паркове, инсталирани в морето, твърдят експертите. Парковете ще бъдат разположени на стотици километри от брега и ще произвеждат електричество в диапазон от няколко гигавата. Преносът на произведената енергия обратно към брега ще изисква полагането на високоволтови HVDC мрежи. Предизвикателствата пред разработването им са съществени и са свързани с технологията за AC/DC преобразуването, многовъзловите DC мрежи и DC прекъсвачи на напрежение, инсталацията на подстанции в морето и други подводни дейности. Включването на страни с различни регулаторни режими на електропреносните мрежи също може да се окаже сериозна пречка. В допълнение към технологичните предизвикателства, експлоатацията на мрежите в морето ще изисква покриване на огромни разходи и пазарно обединение, които са основните препятствия пред разработката на интеррегионални мрежи в морето.

Към 2020 г. в морето ще бъдат разположени различни подстанции, оборудвани с големи AC/DC конвертори, DC и AC силови шини, трансформатори и високоволтово оборудване. В момента има няколко AC/DC конвертора, монтирани на нефтени и газови платформи в морето, като някои от тях са конструирани за офшорни ветроенергийни централи. Техният капацитет, обаче, не надвишава 400 MW, а за целите на широкомащабната вятърна интеграция са необходими 1-2 GW. Преминаването от днешните елементарни офшорни конструкции към големи плаващи или монтирани към морското дъно конструкции с капацитет от 2 GW, ще изисква допълнително намаляване на размера на оборудването и същевременно поддържане на разходите за експлоатация на приемливо ниво.

В новите HVDC системи се използват конвертори, които изправят или преобразуват тока. Конверторите за пренасяне на енергия с високо постоянно напрежение (VSC) се предлагат от 1997 г., но страдат от двойни енергийни загуби и пренасят само една пета от традиционните преобразуватели с линейна комутация (LCC). От друга страна, техният компактен дизайн ги прави подходящи за платформи в морето. За разлика от LCC, VSC могат да бъдат свързани към слаби или пасивни АС мрежи като вятърни електроцентрали и нефтени и газови инсталации в морето. В допълнение, VSC предоставят възможности за контрол на напрежението и самовъзстановяване след токов удар. VSC технологията ще проправи пътя за многотерминалните DC мрежи, което ще позволи свързването на вятърни паркове с брега и търговски връзки между страните. До 2020 г. енергийните загуби на VSC ще бъдат съпоставими с тези на LCC (около 0,5% и на двата терминала).

Многотерминалната HVDC технология
В много части на света вече са инсталирани HVDC връзки с два терминала (точка до точка), чрез които се свързват асинхронни системи и се пренасят големи обеми енергия. Интеграцията на мрежите в морето, обаче, ще изисква допълнително усъвършенстване на многотерминалната HVDC технология (MTDC). MTDC ще понижи необходимия брой преобразувателни станции и по този начин ще увеличи платформеното пространство в морето. Проблемът е, че MTDC системата е много чувствителна към DC грешки и без DC прекъсвач на напрежението ще се наложи изключването на цялата система. За да се предостави сравнимо ниво на готовност и надеждност спрямо съвременните АС мрежи, MTDC мрежите ще се нуждаят от DC прекъсвачи, които могат да изчистват грешките в рамките на милисекунди. Експлоатационните характеристики на променливия ток изискват принципно прости прекъсвачи – такива, които прекъсват тока, когато той е близо до нула.

За да може да изчисти DC грешка, прекъсвачът на напрежение трябва да може да прекъсне пълната мощност, тъй като няма естествено нулево пресичане на напрежението. За момента на пазара не се предлагат DC прекъсвачи за HVDC. В съществуващи MTDC схеми са тествани успешно прототипи на DC прекъсвачи за ток 2000 А DC и напрежение 500 kV DC. До 2020 г. вероятно ще бъдат изградени няколко регионални MTDC мрежи без DC прекъсвачи, но появата на междурегионални MTDC мрежи ще се забави повече, поради липсата на интеррегионални нормативни рамки и дългите подготвителни периоди.