Větrné elektrárny: typy, konstrukce, výhody

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Větrná energetika není zdaleka novým odvětvím zásobování energií, nicméně v současných podmínkách se stále více projevuje jako perspektivní směr dalšího rozvoje. Stále je těžké hovořit o univerzálních koncepcích pro technickou realizaci větrných generátorů, ale pokrok ve využívání jednotlivých inženýrských řešení naznačuje, že se v blízké budoucnosti objeví jednotný jednotný konstrukční model. Současně se ve světě používá několik typů větrných turbín, z nichž každá má své vlastní silné stránky.

Obecný princip fungování větrných turbín

Stejně jako většina moderních alternativních zdrojů energie, větrná turbína funguje díky síle působící v důsledku přirozeného procesu. Hovoříme o proudění větru v důsledku nerovnoměrného ohřevuzemský povrch sluncem. Téměř všechny větrné turbíny pracují podle následujícího principu: proudění vzduchu otáčejí kolem na speciální hřídeli s lopatkami a přenášejí tak točivý moment na generátor nebo akumulátor. V podmínkách stability a dostatečné síly pohybu vzduchu jsou větrné mlýny na výrobu elektřiny schopny zajistit účinnost 45-50%. Je to právě proměnlivost větru a jeho síla, která určuje širokou škálu konstrukcí větrných turbín, které jsou také vypočítávány na základě konkrétních klimatických podmínek použití.

Jaké jsou hlavní výhody větrných turbín?

Hodnotit účinnost větrných turbín lze jak ve srovnání s tradičními zdroji energie, tak na pozadí generátorů běžících na obnovitelné volné zdroje. Nejvýraznějšími výhodami takových systémů, které dávají naději na jejich úspěšný rozvoj v budoucnu, jsou následující faktory:

• Větrná energie samotná je nejen obnovitelná, ale také dostupná pro akumulaci a zpracování.
• Ekonomický přínos. Jednoznačné hodnocení konkrétních ekonomických ukazatelů zatím nemůže být způsobeno různorodostí systémů pracujících s různou výkonností. Můžeme však hovořit o vynikajících výsledcích jednotlivých projektů. Kolik například stojí kilowatt elektřiny z velkého pobřežního větrného mlýna? Můžeme mluvit o rozmezí 2-12 rublů. za 1 kWh.
• Ekologické. Provoz větrných turbín nezajišťuje škodlivéemise látek znečišťujících ovzduší.
• Kompaktní. Instalace větrné turbíny, byť v průmyslovém formátu, se nedá srovnávat s tradičními elektrárnami. To je z velké části způsobeno autonomií a nezávislostí takových systémů na pomocných komunikacích a zdrojích.

Generátory horizontální osy

Konstrukční schéma takových větrných mlýnů počítá s přítomností elektrického generátoru, převodovky, lopatek a věže s rámem. Konfigurace lopatek je realizována tak, že vzduch proudí do trychtýře, což vytváří torzní moment. Důležitou podmínkou pro provoz takových větrných mlýnů pro výrobu elektřiny je schopnost přizpůsobit se charakteristikám pohybu toků (směr a síla). K tomu jsou konstrukce opatřeny mechanismy pro otáčení a naklápění lopatek vzhledem k zemskému povrchu. V nejpokročilejších modelech se používají i regulátory s automatickým ovládáním. Pokud jde o implementaci větrného kola, třílistá konfigurace se častěji používá v horizontálních schématech. Navíc, aby se zvýšil výkon generátorů, inženýři mají tendenci zvětšovat velikost funkční přijímací části, což například vysvětluje současný trend přechodu od plastu a lehkých kovů k drahým kompozitním prvkům při výrobě konstrukcí.

Generátory svislé osy

Takové generátory mají významnou výhodu oproti horizontálním konstrukcím,který spočívá v absenci potřeby dalších prostředků pro monitorování a řízení instalace. To znamená, že větrný mlýn se svislou osou se během provozu nijak nepřizpůsobuje pohybu proudění. Tato vlastnost interakce se vzduchovými hmotami současně snižuje napětí v lopatkách větrného generátoru a snižuje gyroskopické zatížení. Převodový generátor, který tvoří motor elektrárny, může být umístěn na základně věže konstrukce bez rizika poškození nebo poruchy. Proč ale s popsanými výhodami nenahradily vertikální instalace zcela horizontální větrné mlýny? Bohužel mají tyto modely i značné nevýhody. Vzhledem k tomu, že větrné kolo není vedeno prouděním větru a vždy pracuje v úzkém rozsahu oblastí zachycování energie, výkon generátoru se logicky snižuje. Pro udržení dostatečného výkonu vertikálních větrných mlýnů je proto nutné jejich hromadné využití pokrývající velké plochy, což není vždy možné.

Designy založené na rotoru Darrieus

Generátory větrných turbín s vertikálním oběžným kolem jsou založeny na konstrukci rotoru Savonius nebo Darrieus. Ale i tato skupina má své variace a moderní úpravy. Nejslibnějším vývojem poslední doby je Gorlovova helikoidní turbína, vytvořená v roce 2001. Je jakýmsi pokračováním konceptu rotoru Darrieus, ale v optimalizovanější podobě. Spirálové vertikální lopatky umožňují generování energie z proudů vody a vzduchu s minimální aktivitou. Dnes tyto generátoryse používají jak ve specializovaných větrných elektrárnách, tak jako součást vodních elektráren.

Větrné generátory se zesilovači toku

Svým způsobem také pokračování klasických konstrukcí větrných mlýnů, ale upravené pro současné high-tech provozní podmínky. Modifikace se zesilovači průtoku se vyznačují přítomností jednoho nebo více žlabů, které jsou určeny ke koncentraci proudů vzduchu. Aerodynamické prvky ve tvaru kužele ve formě stejných žlabů shromažďují toky na velké ploše, orientují je do jednoho směru a tím zvyšují rychlost systému lopatek. Obtížnost použití větrných turbín se zesilovači toku spočívá v tom, že vyžadují použití další skupiny prvků. Navíc je možné v takových systémech dosáhnout výrazného zvýšení produktivity pouze připojením pomocných zdrojů energie, což není vždy ekonomicky opodstatněné.

Bezpřevodové větrné turbíny

V souladu s myšlenkou konstrukční optimalizace se objevila i varianta větrné elektrárny bez převodovky. Místo toho je použit prstencový kanál, opatřený vnitřní kovovou tyčí. Tento kroužek je instalován kolem ráfku rotoru. Je zde také umístěna skupina magnetů, které interagují s kovovou tyčí, čímž přispívají ke generování proudu. Výkon větrných turbín bez převodovky s průměrem rotoru cca 200 cm může dosáhnout 1500 kWhv roce. Hlavní výhodou této konstrukce je snížení energetických ztrát přirozeně vznikajících při provozu generátorů vybavených převodovkami. Za tuto výhodu si ale musíte zaplatit rychlostními limity. Aby jednotka vstoupila do optimálního pracovního postupu, je vyžadována rychlost proudění alespoň 2 m/s.

Vlastnosti průmyslových větrných turbín

Průmyslové větrné mlýny mají dva zásadní rozdíly – velké rozměry a vysoký výkon. Z těchto vlastností vycházejí výhody i nevýhody stanic tohoto typu. Pokud jde o konstrukci, stačí říci, že výška moderních průmyslových větrných mlýnů může dosáhnout 150-200 m a rozpětí lopatek může být více než 100 m. Vysoký výkon také vyžaduje složitost funkční infrastruktury. Pro řízení procesu přeměny energie se tedy používají ovladače větrných generátorů, které zajišťují, že je zohledněno aktuální nabití baterie. Kromě toho elektrická výplň takových instalací zahrnuje invertory a systémy ochrany proti zkratu.

Vlastnosti větrných turbín pro domácnost

Nejjednodušší větrné mlýny lze nejen používat doma, ale také je ručně sestavit. Zpravidla se jedná o malé instalace s výškou ne větší než 10 m, schopné provozu při výkonu 0,5-5 kW. Jako pasivní zdroj energie pro domácí spotřebičenebo jednotlivých skupin elektrických zařízení se tato možnost ospravedlňuje. Kompaktní větrné turbíny však dnes ve velkém využívají velké společnosti k napájení výrobních zařízení. Na základě mini-větrných farem se vytvářejí dostatečně produktivní a spolehlivé systémy, které mohou konkurovat výkonným samostatným generátorům.

Funkce pobřežních větrných turbín

Oblíbenost tohoto typu větrných mlýnů je způsobena několika výhodami oproti stanicím umístěným na souši. Jde především o stabilnější pracovní podmínky, protože proudění větru není bráněno směrem od pobřeží. Konstrukce pobřežních větrných turbín se přitom dělí na dvě skupiny – nosné a plovoucí. První se instalují do mělké vody s klasickou podpěrou v zemi pod vodou. Plovoucí stanice mají svou vlastní plovoucí plošinu s upevněním pomocí kotev a dalších námořních zařízení.

Kombinace konstrukcí větrných turbín se stavebními rámy

Existuje také velmi slibná skupina větrných mlýnů, které jsou doslova integrovány do trupů výškových budov. Toto řešení má dvě výhody – příznivé podmínky pro „příjem“toků a zkrácení trasy dodávky elektřiny, protože konečným zdrojem dodávky jsou obvykle spotřebitelé uvnitř budovy. V současné době se integrace větrných turbín tohoto typu provádí častěji pomocíspeciální aerodynamické válce, které se montují na střechy mrakodrapů. Rozvíjí se také koncept minivrtulí, které lze umístit do kterékoli části vysokého staveniště. Zařízení jsou doslova integrována do zdí, poté jsou připojena k obecnému napájecímu systému a vydávají malé, ale stabilní množství energie.

Závěr

V posledních letech v Rusku výrazně vzrostl zájem o větrné turbíny. Velké stanice s výkonem do 30-50 MW jsou uváděny do provozu periodicky v různých regionech. Pro naši zemi jsou větrné mlýny zvláště užitečné, protože nám umožňují dodávat energii do vzdálených regionů, kde v tuto chvíli není možnost organizovat jiné způsoby zásobování energií. Aktivně se rozvíjí i segment malých větrných elektráren. V Rusku se staly velmi populární jednotlivé energetické systémy s kapacitou 1-5 kW. Vývojáři přitom neodmítají kombinovat principy fungování větrných mlýnů se spalovacími motory. Úspěchy v tomto směru demonstrují zejména konstrukce s větrným motorem. Stále je těžké říci, jak moc bude poptávka po větrné energii v Rusku v příštích desetiletích, protože pozice tradičních energetických zdrojů jsou stále silné. Ale trendy v přechodu na alternativní energii po celém světě pravděpodobně podnítí ruský průmysl k aktivnímu prozkoumání takových oblastí.