ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Организация производства Асинхронизированного синхронного генератора с системой управления для ветроэнергетической установки 10 кВт АСГ1220-10000-380

Рекомендуемая область пременения

Наиболее вероятная область использования – ветроустановки систем водоочистки грунтовых и сточных вод, удаленных коттеджных поселков , удаленных систем контроля экологии окружающей среды.
Наиболее широкая область применения – сельское хозяйство. ВЭУ 10 квт может быть применена в войсках Министерства обороны, в Пограничной службе ФСБ России, Федеральной таможенной службе и других силовых структурах Российской Федерации, в первую очередь, в качестве источника бесперебойного питания в паре с дизель-электрической установкой. При таком использовании ожидается существенная экономия топлива и потребления внешней электроэнергии, уменьшение загрязнения окружающей среды от выхлопных газов.
В перспективе ВЭУ может быть использована в качестве источника электроэнергии для водородных установок.

Назначение, цели и задачи проекта

Одна из основных проблем ветроэнергетики заключается в том, что ветровой поток постоянно меняет направление и скорость. Это приводит к тому, что электрические генераторы ВЭУ вращаются с переменной скоростью и генерируют выходное напряжение с переменными величинами по фазе амплитуде и частоте, выдают, так называемую, «грязную электроэнергию». Потребление электроэнергии с такими параметрами недопустимо как для автономного потребителя, так и при работе параллельно со стационарной сетью. Для преобразования «грязной электроэнергии» в «чистую электроэнергию» (энергию со стандартными параметрами по амплитуде фазе и частоте выходного напряжения) в зарубежной и отечественной практике разрабатываются различные технические концепции.

Заявителями был проведен достаточно подробный анализ технических решений по генераторам ВЭУ по 8 предприятиям, установившим мощные ВЭУ, и по 33 предприятиям, которые в различное время занимались разработкой малых ВЭУ. Собранная информация указывает на то, что ни одно предприятие в России серьезно не занимается вопросами ветропользования.

Анализ отечественных и зарубежных патентных фондов выявил следующие направления развития ВЭУ :

1.  Стабилизация частоты вращения ротора ветроколеса при помощи электромеханических приводов, изменяющих угол атаки к направлению ветрового потока. Следует отметить, что применение такой концепции существенным образом усложняет ВЭУ, сокращает рабочий диапазон используемых ветров, снижает эффективность использования ветрового потока.

2.  Использование в качестве силового асинхронного генератора. Этот подход связан со следующими техническими проблемами. Асинхронный генератор не имеет собственного источника возбуждения для создания магнитного потока. При работе в автономном режиме для асинхронного генератора нужна батарея конденсаторов, габариты которой зависят от номинальной мощности ВЭУ. Практика показывает, что стоимость таких конденсаторов достаточно высока при низкой надежности и нелинейно возрастает при увеличении мощности ВЭУ. На практике такие ВЭУ оказались конкурентно способными для мощностей до 5 кВт. При работе параллельно со стационарной сетью асинхронный генератор потребляет энергию на возбуждение из сети. При этом , так называемый, коэффициент мощности сети ухудшается, что может оказаться неприемлемым по существующим стандартам качества. Компенсация этого вредного фактора  приводит к большим финансовым затратам.

3.  Использование в силовой цепи силового выпрямителя и силового инвертора, которые формируют из «грязной электроэнергии» «чистую электроэнергию», формируя силовыми ключами из постоянного напряжения переменное с требуемыми параметрами. При теоретической возможности такого подхода его практическая реализация связана с существенными материальными затратами. Подсчитано, что стоимость коммутации одного ампера силового тока примерно эквивалентна 1$ США. Таким образом, при увеличении мощности ВЭУ стоимость электронного оборудования к нему резко возрастает при снижении надежности.

Анализ показывает, что развитие ВЭУ в названных направлениях не позволяет качественно решить задачу получения «чистой электроэнергии».

Предлагаемая в инновационном проекте концепция определяет новое направление в развитии электрической части ВЭУ. Она основана на электромашинном преобразовании «грязной электроэнергии» в «чистую электроэнергию» с использованием слаботочной электроники в цепи возбуждения.

Данная концепция разрешает выше названные технические противоречия и  позволяет создать дешевую, надежную силовую электрическую часть ВЭУ, позволяющую вырабатывать качественную по всем параметрам выходную электроэнергию вне зависимости от направления и величины ветрового потока.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время наибольшее распространение в мире получили ВЭС с горизонтальной осью вращения, с редуктором. В качестве электрогенератора применяется асинхронная машина с короткозамкнутым ротором. Следует отметить, что такая техническая концепция морально устарела по следующим причинам:

1. При горизонтальном расположении ветрового колеса ветровой поток, охватываемый ометаемой поверхностью используется крайне неэффективно.

2. Горизонтальная ось вращения требует постоянного поворота генераторной установки по направления максимального ветрового потока. То есть, в системе должно присутствовать система ориентации и вращающееся контактное устройство на установленную мощность ВЭУ. Это резко снижает ее эксплуатационную надежность, ресурс и усложняет ремонтные работы

3. Наличие редуктора усложняет техническое обслуживание, особенно в областях с низкими температурами, снижает КПД.

4. Асинхронный генератор применяется для согласования частоты напряжения генератора с частотой внешней сети. Но из теории известно, что, отдавая активную мощность в сеть, асинхронная машина потребляет реактивную мощность из сети для своего возбуждения. Это резко ухудшает параметры сети и, в частности коэффициент, мощности сети.

5. В настоящее время в мировой и отечественной практике исследуется возможность использовать синхронный генератор, который работает на выпрямитель с последующим преобразованием постоянного тока в переменный через инвертор. В качестве синхронного генератора, как правило, применяется магнитоэлектрическая машина с постоянными магнитами. В основном такие исследования ведутся для малой и средней мощности.        Следует отметить, что такая концепция может быть реализована только до определенных мощностей, которые определяются возможностью силовой электроники. Кроме того, такая концепция требует наличия в системе аккумуляторных батарей как источника накопления энергии, что ведет к резкому удорожанию системы и снижению ее надежности. Для ВЭС большой и средней мощности такой подход неприемлем.

Анализ показывает, что развитее ВЭС в направлении существующих концепций приведет к дальнейшему обострению технических противоречий существующих в них.

Необходимы новые концептуальные подходы для дальнейшего развития ВЭС, как в плане наращивания мощности, так и в плане повышения надежности и улучшения качества вырабатываемой электроэнергии.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Для инвестиционного проекта  имеется достаточно глубоко проработанная в теоретическом плане концепция развития ВЭС всего диапазона мощностей. В заявляемом проекте предлагаются следующие основные технические концепции:

1. ВЭС с вертикальной осью вращения без редуктора. Это позволит повысить эффективность использования ветрового потока, исключит устройства ориентации ВЭС, вращающиеся контактные устройства. При этом увеличится ресурс, надежность, упростится техобслуживание. Такие конструкции могут работать со скоростью ветра, начиная с 2 метров в секунду.

2. В качестве генератора предлагается уникальная электрическая машина: бесконтактный асинхронизированный синхронный генератор с электронной системой управления. Применение этого генератора позволит синхронизировать частоту напряжения генератора с частотой сети при различных частотах вращения, исключить потребление реактивной энергии из сети, исключить аккумуляторную батарею, получить качественную выходную электроэнергию с минимальным спектром высших гармоник.

3. Главной особенностью является система автоматизированного управления. Она состоит из высоковольтного бесконтактного генератора комбинированного возбуждения с постоянными магнитами (возбудителя), питающего обмотку возбуждения основной машины, и электронного блока управления. Возбудитель выполняется высоковольтным, что позволяет снизить токи в цепи управления, уменьшив стоимость элементной базы. Напряжение, выработанное Возбудителем, подаётся на выпрямитель, далее на инвертор, где из него получается двухфазное напряжение необходимой частоты, которым, в свою очередь, запитывается основной генератор. Это позволяет получить стандартизованную частоту выходного напряжения, независящую от частоты вращения генератора.

Таким образом, предлагаемая модель состоит из двух электрических машин, объединённых в один общий корпус. Данное конструкция является бесконтактной, что существенно повышает срок службы всей установки.

Концептуальный эскиз предлагаемого силового генератора и возбудителя приведен на рис. 1.

Трехмерная твердотельная модель приведена на рис.2.

В результате использования указанных выше новых технических решений планируется решить серьёзную проблему ветроэнергетики – исключить зависимость качества получаемой энергии от скорости ветра.

Эта концепция универсальна и может быть применена как для автономных ВЭУ, так и для ВЭУ, работающих параллельно с сетью. Ее можно распространить как на малые и средние мощности, так и на большие мощности. Универсальность концепции позволит построить однотипную по конструкции линейку мощностей ВЭУ от 3 кВт до 1 мВт, что во многом ускорит освоение серийного производства.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Для развития бизнеса следует решить ближайшие и перспективные задачи.

1. Первый год реализации проекта – разработка КД на генераторную часть и систему управления к ней, изготовление и испытание опытного образца, доработка КД по результатам испытаний.

2. Второй год реализации проекта - изготовление и испытание опытного образца опытного образца ВЭУ 10 кВт. Ветровое колесо с вертикальной осью вращения приобретается у ООО «ГРЦ – Вертикаль» г. Миасс на коммерческой основе. Доработка КД по результатам испытаний.

3. Третий год реализации проекта – изготовление установочной партии ВЭУ 10 кВт в количестве 3-5 шт. Подготовка серийного производства.

Перспективные задачи охватывают период до 5-10 лет и включают в себя следующие этапы.

1.  Серийное производство ВЭУ 10 кВт по имеющимся на данный момент заказам для пограничников и предприятий-производителей оборудования бесперебойного питания. Накопление прибыли. Постепенное расширение производства. Период этапа 3-4 года.

2.  Разработка ВЭУ 55 кВт и ВЭУ 75 кВт на базе ВЭУ 10 кВт за счет накопленной прибыли. Изготовление и испытание опытных образцов. Установка ВЭУ 75 кВт в курортной зоне «Абзаково» в близи президентской дачи. Проведение работ по привлечению частных и государственных инвестиций для разработки ВЭУ большой мощности. Параллельное производство ВЭУ 10 кВт. Период этапа 3-4 года.

3.  Разработка ВЭУ 100 кВт на базе ВЭУ 75 кВт  за счет собственной прибыли, частных и государственных инвестиций. Изготовление и испытание опытного образца. Согласование работы ВЭУ 100 кВт параллельно с централизованной сетью. Параллельное производство ВЭУ 10 кВт, ВЭУ 55 кВт, ВЭУ 75 кВт. Период этапа 3-4 года.

4. Серийное производство ВЭУ 100 кВт. Организация на их основе ветропарков в Уральском регионе в горной зоне. Параллельное производство ВЭУ 10 кВт, ВЭУ 55 кВт, ВЭУ 75 кВт.

Последующие этапы связаны с отдаленной перспективой и зависят от успешной реализации предыдущих этапов.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Технические характеристики ветроэнергетической установки

Номинальная мощность, (кВт)                                              10

Номинальное выходное напряжение, (В)                            380

Номинальная частота выходного напряжения, (Гц)        50

Номинальная частота вращения, (об/мин)                         60

Масса, (кг)                                                                                 1200

Габариты (мм*мм)                                                                 1260*320

Новые потребительские свойства продукции

- исключена система ориентации по направлению ветра за счет вертикального расположения оси вращения;
- высокое качество электроэнергии в широком диапазоне скоростей ветра;
- универсальная, работает как в автономном режиме, так и параллельно с внешней сетью;
- повышенные надежность и ресурс за счет бесконтактного токоподвода;
- более низкая цена за счет упрощения электронного блока управления.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам.
Обеспечение материалами сырьем и комплектующими планируется осуществить по кооперации с предприятиями поставщиками

Стадия и уровень разработки

идет подготовка мелкосерийного производства.

Предлагаемые инвестиции

7,5 млн. руб.
3 млн. руб. в 2008 г.
4.5 млн. руб. в 2009 г.

Рынки сбыта

В случае реализации инновационного проекта, изготовления опытного образца и демонстрации его на отечественных выставках ожидается большой интерес потенциальных инвесторов как к конкретной ВЭУ 10 кВт, так и к ВЭУ средней и большой мощности, построенных на базе заявляемого проекта.
Опубликованная по инициативе заявителей статья «Паруса ветровой энергетики» в газете «Южноуральская панорама» от 11.01.2007, позволила привлечь к проекту следующие заинтересованные предприятия:
1.Директор предприятия ООО «ЮжУралТехнологии» г. Челябинск Перескоков Ю.В. выразил заинтересованность в поставке 800 ВЭУ 10 кВт в пограничные войска на Российско-Казахстанскую границу. В настоящее время ведется обсуждение этого вопроса.
2. Предприятие ООО «ГРЦ – Вертикаль» г. Миасс разработало и изготовило ветровое колесо с вертикальной осью вращения для ВЭУ 10 кВт. Генератор для этого изделия отсутствует. Возможна закупка ветрового колеса у этого предприятия для комплектования собственной установки или поставка разработанного генератора как комплектующего элемента. Соответствующее письмо №133/03-07 с намерениями ООО «ГРЦ – Вертикаль» имеется.
Планируемые конкретные заказы от этих предприятий позволят развить бизнес на начальном этапе.
Свою заинтересованность в проекте высказали следующие предприятия, занимающиеся производством бесперебойных источников питания на базе дизель-генераторных установок:
1. ОАО «Электроагрегат» г. Новосибирск, генеральный директор Полянский А.Б.
2. ООО НПО «Уральские теплоэнергетические экосистемы» г. Челябинск, директор Пелесков В.А.
3. ОАО «Московский прожекторный завод» Москва, технический директор Бобылев Ю.А.
4. ОАО «Электроагрегат» г. Курск, заместитель департамента закупок Кривцов Н.А.
5. ОАО «Сарапульский электроагрегатный завод» г. Сарапул, технический директор Суров В.В.
6. ФГУП ВНИИ «Сигнал» г. Ковров, первый заместитель главного конструктора Гаврилов А.И.
В настоящее время с этими предприятиями ведутся переговоры. Эти предприятия могут составить перспективу бизнеса с выходом на зарубежный рынок.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемое в проекте устройство позволяет создать дешевую, надежную силовую электрическую часть ВЭУ, позволяющую вырабатывать качественную по всем параметрам выходную электроэнергию вне зависимости от направления и величины ветрового потока. Качество электроэнергии и низкая цена позволят вытеснить с отечественного и международного рынка импортные изделия.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

30.11.2007