Veterné elektrárne: typy, návrhy, výhody

Veterná energia zďaleka nie je novým odvetvím dodávok energie, ale v súčasných podmienkach získava čoraz výraznejšie črty sľubného smeru ďalšieho rozvoja. Stále je ťažké hovoriť o univerzálnych koncepciách technickej implementácie veterných generátorov, ale úspechy v používaní jednotlivých inžinierskych riešení dávajú dôvod domnievať sa, že v blízkej budúcnosti sa objaví jediný jednotný štrukturálny model. V súčasnosti sa vo svete používa niekoľko typov veterných elektrární, z ktorých každá má svoje silné stránky.

Všeobecný princíp činnosti veterných turbín

Rovnako ako väčšina moderných alternatívnych zdrojov energie, aj veterný generátor pracuje v dôsledku sily pôsobiacej v dôsledku prirodzeného procesu. Hovoríme o prúdoch vetra, ktoré vznikajú v dôsledku nerovnomerného zahrievania zemského povrchu slnkom. Takmer všetky veterné turbíny pracujú podľa nasledujúceho princípu: prúdy vzduchu otáčajú koleso na špeciálnom hriadeli s lopatkami, čím prenášajú krútiaci moment na generátor alebo batériu. V podmienkach stability a dostatočnej sily pohybu vzduchu sú veterné turbíny na výrobu elektriny schopné zabezpečiť účinnosť 45-50 %. Len variabilita vetra a jeho sila je spôsobená širokou škálou návrhov veterných generátorov, ktoré sa počítajú okrem iného na základe špecifických klimatických podmienok použitia.

Aké sú hlavné výhody veterných turbín?

Hodnotiť efektivita práce veterné turbíny sa môžu používať ako v porovnaní s tradičnými zdrojmi energie, tak aj na pozadí generátorov pracujúcich na obnoviteľných zdrojoch. Najvýraznejšie výhody takýchto systémov, ktoré dávajú nádej na ich úspešný vývoj v budúcnosti, sú tieto faktory:

• Samotná veterná energia je nielen obnoviteľná, ale je k dispozícii aj na akumuláciu a spracovanie.
• Ekonomické výhody. Vzhľadom na rozmanitosť systémov pracujúcich s rôznym výkonom zatiaľ nemôžu existovať jednoznačné odhady týkajúce sa konkrétnych ekonomických ukazovateľov. Môžeme však hovoriť o vynikajúcich výsledkoch, ktoré jednotlivé projekty demonštrujú. Napríklad, koľko stojí kilowatt elektriny z veľkého veterného mlyna na mori? Môžeme hovoriť o rozsahu 2-12 rubľov. za 1 kWh.
• Ekologická čistota. Prevádzka veterných elektrární nezabezpečuje škodlivé emisie znečisťujúce atmosféru.
• Kompaktnosť. Inštaláciu veterného mlyna ani v priemyselnom formáte nemožno porovnávať s tradičnými elektrárňami. Je to do značnej miery spôsobené autonómiou a nezávislosťou takýchto systémov od pomocných komunikácií a zdrojov.

Horizontálne axiálne generátory

Konštrukčná schéma takýchto veterných turbín zabezpečuje prítomnosť elektrického generátora, prevodovky, lopatiek a veže s lôžkom. Konfigurácia lopatiek je implementovaná takým spôsobom, že prúdenie vzduchu padá do lievika a vytvára torzný moment. Dôležitou podmienkou pre prevádzku takýchto veterných turbín na výrobu elektriny je schopnosť prispôsobiť sa charakteristikám pohybu toku (smer a sila). Na tento účel sú konštrukcie vybavené mechanizmami na otáčanie a nakláňanie lopatiek vzhľadom na zemský povrch. V najrozvinutejších modeloch sa používajú aj ovládače s automatickým ovládaním. Pokiaľ ide o implementáciu veterného kolesa, v horizontálnych schémach sa častejšie používa trojlistá konfigurácia. Okrem toho, aby sa zvýšila produktivita generátorov, inžinieri sa snažia zväčšiť veľkosť funkčnej prijímacej časti, čo napríklad vysvetľuje súčasný trend prechodu z plastov a ľahkých kovov na drahé kompozitné prvky pri výrobe konštrukcií.

Vertikálne axiálne generátory

Takéto generátory majú významnú výhodu oproti horizontálnym konštrukciám, čo spočíva v tom, že nie sú potrebné ďalšie prostriedky na monitorovanie a riadenie inštalácie. To znamená, že v procese prevádzky sa veterný mlyn so zvislou osou nijako neprispôsobuje pohybu tokov. Tento funkcia interakcie so vzduchovými hmotami súčasne znižuje napätie v lopatkách veterného generátora a znižuje Gyroskopické zaťaženie. Generátor s prevodovkou tvoriacou motor zariadenia môže byť umiestnený na základni konštrukcie veže bez rizika poškodenia alebo poruchy. Prečo však vertikálne inštalácie s opísanými výhodami úplne nevytlačili horizontálne veterné turbíny? Bohužiaľ, takéto modely majú značné nevýhody. Pretože veterné koleso sa nezameriava na toky vetra a vždy pracuje v úzkom rozsahu rozsahov zachytávania energie, výkon generátora sa tiež logicky znižuje. Preto, aby sa udržal dostatočný výkon vertikálnych veterných turbín, je potrebné ich hromadné použitie s pokrytím veľkých plôch, čo nie je vždy možné.

Návrhy založené na rotore Darye

Veterné elektrické generátory so zariadením s vertikálnym obežným kolesom sú založené na schéme rotora Savonius alebo Darye. Táto skupina má však aj svoje vlastné variácie a moderné úpravy. Za najsľubnejší vývoj nedávnej doby sa považuje Gorlovská helikoidná turbína, vytvorená v roku 2001. Je to druh pokračovania konceptu Darye rotora, ale v optimalizovanejšej podobe. Špirálové vertikálne čepele vám umožňujú generovať energiu z prúdenia vody a vzduchu s minimálnou aktivitou. Dnes sa takéto generátory používajú ako na špecializovaných veterných farmách, tak aj ako súčasť vodných elektrární.

Veterné generátory s prietokovými zosilňovačmi

Je to tiež nejakým spôsobom pokračovanie klasických návrhov veterných turbín, ale upravené pre súčasné špičkové prevádzkové podmienky. Modifikácie s prietokovými zosilňovačmi sa vyznačujú prítomnosťou jedného alebo viac žľabov, ktoré sú určené na sústredenie prúdenia vzduchu. Aerodynamické kužeľovité prvky vo forme rovnakých žľabov zhromažďujú toky na veľkej ploche, orientujú ich na jeden bod v smere a tým zvyšujú rýchlosť pohybu lopatkového systému. Zložitosť používania veterných elektrární s prietokovými zosilňovačmi spočíva v tom, že vyžadujú použitie ďalšej skupiny prvkov. Okrem toho je možné dosiahnuť výrazné zvýšenie produktivity v takýchto systémoch iba pripojením pomocných zdrojov energie, čo nie je vždy ekonomicky opodstatnené.

Veterné generátory bez prevodovky

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 namontovaný okolo ráfika rotora. Je tu tiež umiestnená skupina magnetov, ktorá interaguje s kovovou tyčou, čím prispieva k generovaniu prúdu. Produktivita veterných elektrární bez prevodovky s priemerom rotora asi 200 cm môže dosiahnuť 1500 kWh ročne. Hlavnou výhodou takejto konštrukcie možno nazvať zníženie energetických strát, ktoré sa prirodzene vyskytujú pri prevádzke generátorov vybavených prevodovkami. Za túto dôstojnosť však musíte platiť rýchlostnými obmedzeniami. Na to, aby inštalácia vstúpila do optimálneho pracovného toku, je potrebný prietok najmenej 2 m/s.

Vlastnosti priemyselných veterných turbín

Priemyselné veterné turbíny majú dva zásadné rozdiely-veľkú veľkosť a vysokú energetickú kapacitu. Z týchto vlastností vyplývajú výhody aj nevýhody staníc tohto typu. Pokiaľ ide o dizajn, stačí povedať, že výška moderných priemyselných veterných turbín môže dosiahnuť 150-200 m a max lopatiek je viac ako 100 m. Na udržanie takej masívnej konštrukcie sa na mieste nadácie vykonávajú rozsiahle stavebné práce. Vysoký výkon si vyžaduje aj zložitejšiu funkčnú infraštruktúru. Na riadenie procesu premeny energie sa teda používajú regulátory veterného generátora, aby sa zabezpečilo zohľadnenie aktuálneho nabitia akumulátora. Okrem toho sú v elektrickom vypchávaní takýchto inštalácií k dispozícii invertory a systémy ochrany proti skratu.

Vlastnosti veterných turbín pre domácnosť

Najjednoduchšie veterné mlyny sa dajú použiť nielen doma, ale aj ručne. Spravidla ide o malé inštalácie s výškou nie väčšou ako 10 m, schopné pracovať pri výkone 0,5-5 kW. Ako pasívny zdroj energie pre domáce spotrebiče alebo jednotlivé skupiny elektrických zariadení sa táto možnosť plne ospravedlňuje. Kompaktné veterné elektrárne však dnes vo veľkom využívajú veľké spoločnosti na zariadenia na výrobu elektrickej energie. Na základe mini-veterných fariem sa vytvárajú dostatočne produktívne a spoľahlivé systémy, ktoré môžu konkurovať vysokovýkonným samostatným generátorom.

Vlastnosti veterných turbín na mori

Popularita tohto typu veterných turbín je spôsobená niekoľkými výhodami oproti staniciam, ktoré sa nachádzajú na súši. Hovoríme hlavne o stabilnejších pracovných podmienkach, pretože prúdy vetra sa nestretávajú s prekážkami vo vzdialenosti od pobrežia. Štruktúry veterných elektrární na mori sú zároveň rozdelené do dvoch skupín-podporných a plávajúcich. Prvé sú inštalované v plytkej vode s klasickou podporou v zemi pod vodou. Plávajúce stanice majú vlastnú plávajúcu plošinu s fixáciou pomocou kotiev a iných námorných zariadení.

Kombinácia štruktúr veterných turbín s rámami budov

Existuje tiež veľmi sľubná skupina veterných turbín, ktoré sú doslova integrované do budov výškových budov. Takéto riešenie má dve výhody-priaznivé podmienky pre "príjem" tokov a zníženie spôsobu dodávky elektriny, pretože konečným zdrojom dodávok sú zvyčajne spotrebitelia vo vnútri budovy. V súčasnosti integrácia veterných elektrární tohto typu častejšie sa vyrába pomocou špeciálnych aerodynamických valcov, ktoré sú namontované na strechách mrakodrapov. Vyvíja sa aj koncept mini vrtúľ, ktoré je možné vôbec umiestniť do ktorejkoľvek časti vysokého stavebného objektu. Zariadenia sú doslova integrované do stien, po ktorých sú pripojené k všeobecnému napájaciemu systému a vydávajú malé, ale stabilné množstvo energie.

Záver

V posledných rokoch sa v Rusku výrazne zvýšil záujem o veterné turbíny. Pravidelne sa v rôznych regiónoch uvádzajú do prevádzky veľké elektrárne s kapacitou do 30-50 MW. Pre našu krajinu sú veterné turbíny obzvlášť užitočné z toho dôvodu, že umožňujú dodávať energiu do vzdialených regiónov, kde v súčasnosti neexistuje možnosť organizovať iné prostriedky dodávky energie. Aktívne sa rozvíja aj segment malých veterných fariem. Jednotlivé energetické systémy s výkonom 1-5 kW sa v Rusku stali veľmi populárnymi. V rovnakej dobe, vývojári neodmietajú kombinovať princípy fungovania veterných turbín so spaľovacími motormi. Úspechy v tomto smere dokazujú najmä štruktúry veternej nafty. Stále je ťažké povedať, koľko veternej energie bude v Rusku v nasledujúcich desaťročiach žiadané, pretože pozície tradičných zdrojov energie sú stále silné. Ale trendy prechodu na alternatívna energia na celom svete s najväčšou pravdepodobnosťou podnieti ruský priemysel k aktívnemu rozvoju týchto oblastí.