Veterné elektrárne: typy, dizajn, výhody

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Veterná energetika nie je ani zďaleka novým odvetvím zásobovania energiou, no v súčasných podmienkach sa čoraz viac prejavuje ako znak sľubného smerovania ďalšieho rozvoja. Stále je ťažké hovoriť o univerzálnych konceptoch technickej realizácie veterných generátorov, ale pokrok vo využívaní jednotlivých inžinierskych riešení naznačuje, že v blízkej budúcnosti sa objaví jednotný model konštrukcie. Zároveň sa vo svete používa niekoľko typov veterných turbín, z ktorých každá má svoje silné stránky.

Všeobecný princíp fungovania veterných turbín

Ako väčšina moderných alternatívnych zdrojov energie aj veterná turbína funguje vďaka sile pôsobiacej ako výsledok prirodzeného procesu. Hovoríme o prúdení vetra v dôsledku nerovnomerného ohrevuzemský povrch slnkom. Takmer všetky veterné turbíny fungujú podľa nasledujúceho princípu: prúdy vzduchu otáčajú koleso na špeciálnom hriadeli s lopatkami, čím prenášajú krútiaci moment na generátor alebo akumulátor. V podmienkach stability a dostatočnej sily pohybu vzduchu sú veterné mlyny na výrobu elektriny schopné poskytnúť účinnosť 45-50%. Je to práve variabilita vetra a jeho sila, ktorá predurčuje širokú škálu prevedení veterných turbín, ktoré sa počítajú aj na základe konkrétnych klimatických podmienok použitia.

Aké sú hlavné výhody veterných turbín?

Efektívnosť veterných turbín je možné hodnotiť tak v porovnaní s tradičnými zdrojmi energie, ako aj na pozadí generátorov pracujúcich na obnoviteľných voľných zdrojoch. Najvýraznejšie výhody takýchto systémov, ktoré dávajú nádej na ich úspešný rozvoj v budúcnosti, sú tieto faktory:

• Samotná veterná energia je nielen obnoviteľná, ale aj dostupná na akumuláciu a spracovanie.
• Ekonomický prínos. Jednoznačné hodnotenie konkrétnych ekonomických ukazovateľov zatiaľ nemôže byť spôsobené rôznorodosťou systémov pracujúcich s rôznou výkonnosťou. Môžeme však hovoriť o vynikajúcich výsledkoch jednotlivých projektov. Napríklad, koľko stojí kilowatt elektriny z veľkého pobrežného veterného mlyna? Môžeme hovoriť o rozmedzí 2-12 rubľov. za 1 kWh.
• Ekologické. Prevádzka veterných turbín nezabezpečuje škodlivéemisie látok znečisťujúcich ovzdušie.
• Kompaktné. Inštalácia veternej turbíny, dokonca aj v priemyselnom formáte, sa nedá porovnávať s tradičnými elektrárňami. Je to z veľkej časti vďaka autonómii a nezávislosti takýchto systémov od pomocných komunikácií a zdrojov.

Generátory horizontálnej osi

Konštrukčná schéma takýchto veterných mlynov zabezpečuje prítomnosť elektrického generátora, prevodovky, lopatiek a veže s rámom. Konfigurácia lopatiek je realizovaná tak, že vzduch prúdi do lievika, čím vzniká torzný moment. Dôležitou podmienkou pre prevádzku takýchto veterných mlynov na výrobu elektriny je schopnosť prispôsobiť sa charakteristikám pohybu tokov (smer a sila). Na tento účel sú konštrukcie vybavené mechanizmami na otáčanie a nakláňanie lopatiek vzhľadom na zemský povrch. V najpokročilejších modeloch sa používajú aj ovládače s automatickým ovládaním. Pokiaľ ide o implementáciu veterného kolesa, konfigurácia s tromi lopatkami sa častejšie používa v horizontálnych schémach. Navyše, aby sa zvýšil výkon generátorov, inžinieri majú tendenciu zväčšovať veľkosť funkčnej prijímacej časti, čo napríklad vysvetľuje súčasný trend prechodu od plastov a ľahkých kovov k drahým kompozitným prvkom pri výrobe konštrukcií.

Generátory vertikálnej osi

Takéto generátory majú významnú výhodu oproti horizontálnym štruktúram,ktorý spočíva v absencii potreby dodatočných prostriedkov na monitorovanie a riadenie inštalácie. To znamená, že v procese prevádzky sa veterný mlyn s vertikálnou osou žiadnym spôsobom neprispôsobuje pohybu tokov. Táto vlastnosť interakcie so vzduchovými hmotami súčasne znižuje napätie v lopatkách veterného generátora a znižuje gyroskopické zaťaženie. Prevodový generátor, ktorý tvorí motor zariadenia, môže byť umiestnený na základni veže konštrukcie bez rizika poškodenia alebo poruchy. Prečo však pri popísaných výhodách vertikálne inštalácie nenahradili úplne horizontálne veterné mlyny? Bohužiaľ, tieto modely majú aj značné nevýhody. Keďže veterné koleso nie je vedené prúdmi vetra a vždy pracuje v úzkom rozsahu rozsahov zachytávania energie, výkon generátora sa logicky znižuje. Pre udržanie dostatočného výkonu vertikálnych veterných mlynov je preto potrebné ich masové využitie pokrývajúce veľké plochy, čo nie je vždy možné.

Dizajny založené na rotore Darrieus

Generátory veterných turbín s vertikálnym obežným kolesom sú založené na konštrukcii rotora Savonius alebo Darrieus. Ale aj táto skupina má svoje variácie a moderné úpravy. Najsľubnejším vývojom poslednej doby je Gorlovova špirálová turbína, vytvorená v roku 2001. Je akýmsi pokračovaním koncepcie rotora Darrieus, avšak v optimalizovanejšej podobe. Špirálové vertikálne lopatky umožňujú generovanie energie z prúdenia vody a vzduchu s minimálnou aktivitou. Dnes tieto generátorysa používajú v špecializovaných veterných elektrárňach aj ako súčasť vodných elektrární.

Veterné generátory so zosilňovačmi toku

V určitom zmysle tiež pokračovanie klasických konštrukcií veterných mlynov, avšak upravené pre súčasné prevádzkové podmienky v oblasti špičkových technológií. Modifikácie so zosilňovačmi prietoku sa vyznačujú prítomnosťou jedného alebo viacerých žľabov, ktoré sú určené na sústredenie prúdenia vzduchu. Aerodynamické prvky v tvare kužeľa vo forme tých istých žľabov zhromažďujú toky na veľkej ploche, orientujú ich do jedného smerového bodu a tým zvyšujú rýchlosť systému lopatiek. Obtiažnosť použitia veterných turbín so zosilňovačmi toku spočíva v tom, že vyžadujú použitie ďalšej skupiny prvkov. Okrem toho je možné v takýchto systémoch dosiahnuť výrazné zvýšenie produktivity iba pripojením pomocných zdrojov energie, čo nie je vždy ekonomicky opodstatnené.

Bezprevodové veterné turbíny

V súlade s myšlienkou štrukturálnej optimalizácie sa objavil aj variant veternej elektrárne bez prevodovky. Namiesto toho sa používa prstencový kanál vybavený vnútornou kovovou tyčou. Tento krúžok je inštalovaný okolo ráfika rotora. Nachádza sa tu aj skupina magnetov, ktoré spolupôsobia s kovovou tyčou, čím prispievajú ku generovaniu prúdu. Výkon veterných turbín bez prevodovky s priemerom rotora cca 200 cm môže dosiahnuť 1500 kWhv roku. Hlavnou výhodou tejto konštrukcie je zníženie energetických strát, ktoré sa prirodzene vyskytujú pri prevádzke generátorov vybavených prevodovkami. Za túto výhodu si ale musíte zaplatiť rýchlostnými obmedzeniami. Aby jednotka vstúpila do optimálneho pracovného toku, je potrebná rýchlosť prúdenia aspoň 2 m/s.

Vlastnosti priemyselných veterných turbín

Priemyselné veterné mlyny majú dva zásadné rozdiely – veľké rozmery a vysoký výkon. Výhody aj nevýhody staníc tohto typu vyplývajú z týchto vlastností. Pokiaľ ide o štruktúru, stačí povedať, že výška moderných priemyselných veterných mlynov môže dosiahnuť 150 - 200 m a rozpätie lopatiek môže byť viac ako 100 m. Vysoký výkon si vyžaduje aj komplexnosť funkčnej infraštruktúry. Na riadenie procesu premeny energie sa teda používajú regulátory veterných generátorov, ktoré zabezpečujú, že sa berie do úvahy aktuálne nabitie batérie. Okrem toho elektrická výplň takýchto inštalácií zahŕňa invertory a systémy ochrany proti skratu.

Funkcie veterných turbín pre domácnosť

Najjednoduchšie veterné mlyny sa dajú nielen použiť doma, ale aj ručne zostaviť. Spravidla ide o malé zariadenia s výškou nie väčšou ako 10 m, schopné prevádzky pri výkone 0,5-5 kW. Ako pasívny zdroj energie pre domáce spotrebičealebo jednotlivých skupín elektrických zariadení, táto možnosť sa ospravedlňuje. Kompaktné veterné turbíny však dnes vo veľkom využívajú veľké spoločnosti na napájanie výrobných zariadení. Na báze mini-veterných fariem sa vytvárajú dostatočne produktívne a spoľahlivé systémy, ktoré môžu konkurovať vysokovýkonným samostatným generátorom.

Funkcie veterných turbín na mori

Obľúbenosť tohto typu veterných mlynov je spôsobená niekoľkými výhodami oproti staniciam, ktoré sa nachádzajú na súši. Ide najmä o stabilnejšie pracovné podmienky, keďže prúdenie vetra nie je bránené smerom od pobrežia. Zároveň sú konštrukcie pobrežných veterných turbín rozdelené do dvoch skupín - nosné a plávajúce. Prvé sú inštalované v plytkej vode s klasickou podperou v zemi pod vodou. Plávajúce stanice majú vlastnú plávajúcu plošinu s upevnením pomocou kotiev a iných námorných zariadení.

Kombinácia konštrukcií veterných turbín so stavebnými rámami

Existuje aj veľmi sľubná skupina veterných mlynov, ktoré sú doslova integrované do trupov výškových budov. Toto riešenie má dve výhody – priaznivé podmienky pre „príjem“tokov a skrátenie trasy dodávky elektriny, keďže konečným zdrojom dodávky sú zvyčajne odberatelia vo vnútri budovy. V súčasnosti sa integrácia veterných turbín tohto typu častejšie vykonáva pomocoušpeciálne aerodynamické valce, ktoré sú namontované na strechách mrakodrapov. Rozvíja sa aj koncept minivrtúľ, ktoré je možné umiestniť do ktorejkoľvek časti vysokého staveniska. Zariadenia sú doslova integrované do stien, potom sú pripojené k všeobecnému napájaciemu systému, pričom vydávajú malé, ale stabilné množstvo energie.

Záver

V posledných rokoch sa v Rusku výrazne zvýšil záujem o veterné turbíny. Veľké stanice s kapacitou do 30-50 MW sú uvádzané do prevádzky pravidelne v rôznych regiónoch. Pre našu krajinu sú veterné mlyny obzvlášť užitočné, pretože nám umožňujú zásobovať energiou odľahlé regióny, kde v súčasnosti nie je možné organizovať iné spôsoby zásobovania energiou. Aktívne sa rozvíja aj segment malých veterných elektrární. V Rusku sa jednotlivé energetické systémy s kapacitou 1-5 kW stali veľmi populárnymi. Vývojári zároveň neodmietajú kombinovať princípy fungovania veterných mlynov so spaľovacími motormi. Úspechy v tomto smere preukazujú najmä veterno-dieselové konštrukcie. Zatiaľ je ťažké povedať, koľko bude dopyt po veternej energii v Rusku v najbližších desaťročiach, keďže pozície tradičných zdrojov energie sú stále silné. Trendy v prechode na alternatívnu energiu na celom svete však pravdepodobne podnietia ruský priemysel k aktívnemu skúmaniu takýchto oblastí.