Ученые Санкт-Петербургского Политехнического университета разработали модульную ветроэнергетическую установку (ВЭУ), предназначенную для эксплуатации в суровых арктических условиях с применением цифровых технологий. Данное решение призвано повысить эффективность энергетического снабжения удаленных населенных пунктов и промышленных объектов в северных регионах. Исследования размещены в журнале Thermal Engineering.

Основная проблема энергоснабжения в Арктике заключается в трудоемкости транспортировки топлива для дизельных электростанций, которые обеспечивают электроэнергией удаленные логистические пункты на трассе Северного морского пути, населенные пункты и нефтяные добывающие объекты. Это приводит к значительному увеличению стоимости топлива и электричества, которую получают с его помощью.

Между тем прибрежные территории России, арктические острова и шельфовые зоны Северного ледовитого океана располагают значительным ветроэнергетическим потенциалом. Ученые СПбПУ предложили использовать ветро-дизельные энергокомплексы с модульными ветроэнергетическими установками мощностью 100 кВт для генерации электроэнергии.

Согласно мнению исследователей, это должно существенно повысить энергоэффективность, сократить затраты на энергоснабжение, а также снизить вредные выбросы и парниковые газы, что особенно важно для уязвимой арктической экосистемы.

«Подобные ветроэнергетические установки очень востребованы в Арктике. Наши маркетинговые исследования показывают, что рынок ветроэнергетических установок может насчитывать более 4500 единиц», — сообщил Виктор Елистратов, профессор Высшей школы гидротехнического и энергетического строительства СПбПУ, заведующий НИЛ «Цифровое проектирование энергетических сооружений в Арктике» из Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии».

Модульная конструкция установок, включающая ветроколесо, гондолу, башню, фундамент и систему самоподъема, облегчает транспортировку и установку в районах с вечной мерзлотой, так как каждый элемент может быть доставлен и смонтирован отдельно, без использования тяжелой техники. Оптимизированная форма лопастей ветроколеса и современные материалы позволяют установке генерировать электроэнергию даже при ветре с низкой скоростью 6-9 м/с, что обеспечивает как минимум на 20% большую выработку электроэнергии по сравнению с традиционными ветрогенераторами.

Также учеными разработано инновационное конструктивное решение фундамента из специализированных металлических или бетонных модулей, которые можно доставлять и монтировать на месте без применения тяжелых кранов. На это решение уже получено два патента.

«Элементы ветроэнергетической установки должны обладать транспортно-весовыми характеристиками, обеспечивающими перевозку в стандартных контейнерах, и быть высоко готовыми к применению с завода. Материалы и покрытия должны надежно работать в арктических условиях, а монтаж должен производиться без трудоемких бетонных работ и использования сварки и тяжелой техники», — подчеркнул Елистратов.

Для оптимизации процесса проектирования и повышения эффективности эксплуатации ВЭУ в сложных климатических условиях, ученые создали цифровой двойник установки, что позволило детально смоделировать ее работу и повысить надежность и эффективность системы.

По словам Виктора Елистратова, экономическая выгода от внедрения данной разработки будет зависеть от конкретных условий размещения, таких как ветровой потенциал региона и дальность транспортировки топлива. Использование ветро-дизельных энергокомплексов с инновационными решениями и оптимизированными параметрами установок в Арктике позволит сократить расход дизельного топлива более чем на 50%. Например, для поселка Амдерма в Ненецком автономном округе удалось сократить потребление дизельного топлива на 500 тонн в год.

Елистратов отметил, что мощность установки в 100 кВт идеально подходит для энергоснабжения небольших населенных пунктов в Арктике, а её компактные размеры облегчают транспортировку и монтаж.

Эта работа была выполнена коллективом НИЛ «Цифровое проектирование энергетических сооружений в Арктике», созданного в Научном центре мирового уровня «Передовые цифровые технологии» ФГАОУ ВО «СПбПУ».