Vetrne elektrarne: vrste, dizajn, prednosti

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 10:40

Vetrna energija še zdaleč ni nova veja oskrbe z energijo, vendar v trenutnih razmerah postaja vse bolj izrazita značilnost obetavne smeri nadaljnjega razvoja. Še vedno je težko govoriti o univerzalnih konceptih tehnične izvedbe vetrnih generatorjev, vendar napredek pri uporabi posameznih inženirskih rešitev nakazuje, da se bo v bližnji prihodnosti pojavil en enoten konstrukcijski model. Hkrati se na svetu uporablja več vrst vetrnih turbin, od katerih ima vsaka svoje prednosti.

Splošno načelo delovanja vetrnih turbin

Tako kot večina sodobnih alternativnih virov energije, vetrna turbina deluje zaradi sile, ki deluje kot posledica naravnega procesa. Govorimo o vetrnih tokovih, ki so posledica neenakomernega ogrevanjazemeljsko površino ob soncu. Skoraj vse vetrne turbine delujejo po naslednjem principu: zračni tokovi vrtijo kolo na posebni gredi z rezili in tako prenašajo navor na generator ali akumulator. V pogojih stabilnosti in zadostne sile gibanja zraka lahko vetrnice za proizvodnjo električne energije zagotovijo učinkovitost 45-50%. Ravno spremenljivost vetra in njegova moč sta tista, ki določata najrazličnejše izvedbe vetrnih turbin, ki so tudi izračunane glede na specifične podnebne pogoje uporabe.

Katere so glavne prednosti vetrnih turbin?

Učinkovitost vetrnih turbin lahko ocenite tako v primerjavi s tradicionalnimi viri energije kot v ozadju generatorjev, ki delujejo na brezplačne obnovljive vire. Najbolj izrazite prednosti tovrstnih sistemov, ki dajejo upanje za njihov uspešen razvoj v prihodnosti, so naslednji dejavniki:

• Energija vetra sama po sebi ni samo obnovljiva, ampak je na voljo tudi za kopičenje in predelavo.
• Gospodarska korist. Nedvoumne ocene glede posameznih ekonomskih kazalnikov še ne morejo biti posledica raznolikosti sistemov, ki delujejo z različnimi zmogljivostmi. Lahko pa govorimo o izjemnih rezultatih posameznih projektov. Koliko na primer stane kilovat električne energije iz velike vetrnice na morju? Lahko govorimo o razponu od 2-12 rubljev. za 1 kWh.
• Ekološko prijazno. Delovanje vetrnih turbin ni škodljivoemisije onesnaževal zraka.
• Kompaktna. Namestitev vetrne turbine, tudi v industrijskem formatu, se ne more primerjati s tradicionalnimi elektrarnami. To je v veliki meri posledica avtonomije in neodvisnosti takšnih sistemov od pomožnih komunikacij in virov.

Generatorji vodoravne osi

Konstrukcijska shema takšnih vetrnic predvideva prisotnost električnega generatorja, menjalnika, lopatic in stolpa z okvirjem. Konfiguracija lopatic je izvedena tako, da zrak teče v lij, kar ustvarja torzijski moment. Pomemben pogoj za delovanje takšnih vetrnic za proizvodnjo električne energije je sposobnost prilagajanja značilnostim gibanja tokov (smer in moč). Za to so strukture opremljene z mehanizmi za obračanje in nagibanje rezil glede na zemeljsko površino. V najnaprednejših modelih se uporabljajo tudi krmilniki z avtomatskim krmiljenjem. Kar zadeva izvedbo vetrnega kolesa, se konfiguracija s tremi rezili pogosteje uporablja v horizontalnih shemah. Poleg tega, da bi povečali zmogljivost generatorjev, inženirji težijo k povečanju velikosti funkcionalnega sprejemnega dela, kar na primer pojasnjuje trenutni trend prehoda s plastike in lahkih kovin na drage kompozitne elemente pri izdelavi konstrukcij.

generatorji navpične osi

Takšni generatorji imajo pomembno prednost pred horizontalnimi strukturami,ki sestoji iz odsotnosti potrebe po dodatnih sredstvih za spremljanje in nadzor inštalacije. To pomeni, da se v procesu delovanja vetrnica z navpično osjo nikakor ne prilagaja gibanju tokov. Ta lastnost interakcije z zračnimi masami hkrati zmanjša napetost v lopaticah vetrnega generatorja in zmanjša žiroskopske obremenitve. Generator z zobniki, ki tvori motor elektrarne, je lahko nameščen na dnu konstrukcijskega stolpa brez nevarnosti poškodb ali okvare. Toda zakaj ob opisanih prednostih vertikalne inštalacije niso nadomestile povsem horizontalnih vetrnic? Na žalost imajo ti modeli tudi pomembne pomanjkljivosti. Ker vetrnega kolesa ne vodijo tokovi vetra in vedno deluje v ozkem območju zajemanja energije, je zmogljivost generatorja logično zmanjšana. Zato je za ohranjanje zadostne moči vertikalnih vetrnic potrebna njihova množična uporaba na velikih površinah, kar ni vedno mogoče.

Zasnovi na podlagi Darrieusovega rotorja

Generatorji vetrnih turbin z navpičnim rotorjem temeljijo na zasnovi rotorja Savonius ali Darrieus. Toda ta skupina ima tudi svoje različice in sodobne modifikacije. Najbolj obetaven novejši razvoj je helikoidna turbina Gorlova, nastala leta 2001. Je nekakšno nadaljevanje koncepta Darrieusovega rotorja, vendar v bolj optimizirani obliki. Spiralna navpična rezila omogočajo pridobivanje energije iz vodnih in zračnih tokov z minimalno aktivnostjo. Danes ti generatorjise uporabljajo tako v specializiranih vetrnih elektrarnah kot kot del hidroelektrarn.

Vetrni generatorji z ojačevalniki toka

Tudi na nek način nadaljevanje klasičnih zasnov vetrnic, vendar prilagojenih trenutnim visokotehnološkim pogojem delovanja. Modifikacije z ojačevalniki pretoka se odlikujejo po prisotnosti enega ali več žlebov, ki so zasnovani za koncentracijo zračnih tokov. Aerodinamični stožčasti elementi v obliki istih žlebov zbirajo tokove na velikem območju, jih usmerijo v eno smer in s tem povečajo hitrost sistema rezil. Težava pri uporabi vetrnih turbin z ojačevalniki pretoka je, da zahtevajo uporabo dodatne elementarne skupine. Poleg tega je mogoče bistveno povečanje produktivnosti v takšnih sistemih doseči le s priklopom pomožnih virov energije, kar ni vedno ekonomsko upravičeno.

Vetrne turbine brez prestav

V skladu z idejo strukturne optimizacije se je pojavila tudi varianta vetrne elektrarne brez menjalnika. Namesto tega se uporablja obročast kanal, opremljen z notranjo kovinsko palico. Ta obroč je nameščen okoli roba rotorja. Tu se nahaja tudi skupina magnetov, ki delujejo s kovinsko palico in s tem prispevajo k ustvarjanju toka. Zmogljivost vetrnih turbin brez menjalnika s premerom rotorja približno 200 cm lahko doseže 1500 kWhv letu. Glavna prednost te zasnove je zmanjšanje izgub energije, ki se naravno pojavljajo pri delovanju generatorjev, opremljenih z menjalniki. Toda to prednost morate plačati z omejitvami hitrosti. Da bi enota vstopila v optimalen delovni tok, je potrebna hitrost pretoka najmanj 2 m/s.

Značilnosti industrijskih vetrnih turbin

Industrijske vetrnice imajo dve temeljni razliki - veliko velikost in visoko izhodno moč. Iz teh lastnosti izhajajo tako prednosti kot slabosti tovrstnih postaj. Kar zadeva strukturo, je dovolj reči, da lahko višina sodobnih industrijskih vetrnic doseže 150-200 m, razpon rezil pa je lahko več kot 100 m. Velika moč zahteva tudi kompleksnost funkcionalne infrastrukture. Tako se za nadzor procesa pretvorbe energije uporabljajo krmilniki vetrnih generatorjev, ki zagotavljajo, da se upošteva trenutna napolnjenost akumulatorja. Poleg tega električno polnjenje takšnih inštalacij vključuje pretvornike in sisteme za zaščito pred kratkim stikom.

Lastnosti gospodinjskih vetrnih turbin

Najenostavnejše vetrnice ne morete uporabljati samo doma, ampak jih lahko sestavite tudi ročno. Praviloma so to majhne inštalacije z višino največ 10 m, ki lahko delujejo z močjo 0,5-5 kW. Kot pasivni vir energije za gospodinjske aparateali posamezne skupine električnih naprav, se ta možnost opravičuje. Vendar pa kompaktne vetrne turbine danes v velikem številu uporabljajo velika podjetja za napajanje proizvodnih obratov. Na podlagi mini vetrnic se oblikujejo dovolj produktivni in zanesljivi sistemi, ki lahko tekmujejo z visoko zmogljivimi enojnimi generatorji.

Značilnosti vetrnih turbin na morju

Priljubljenost te vrste vetrnic je posledica številnih prednosti pred postajami, ki se nahajajo na kopnem. Gre predvsem za stabilnejše delovne pogoje, saj vetrni tokovi niso ovirani stran od obale. Hkrati so strukture vetrnih turbin na morju razdeljene v dve skupini - nosilne in plavajoče. Prvi so nameščeni v plitvi vodi s klasično oporo v tleh pod vodo. Plavajoče postaje imajo lastno plavajočo ploščad s fiksiranjem s sidri in drugimi pomorskimi napravami.

Kombinacija konstrukcij vetrnih turbin z gradbenimi okvirji

Obstaja tudi zelo obetavna skupina mlinov na veter, ki so dobesedno integrirani v trupe visokih stavb. Ta rešitev ima dve prednosti - ugodne pogoje za "sprejem" tokov in zmanjšanje poti dobave električne energije, saj so končni vir oskrbe običajno odjemalci znotraj stavbe. Trenutno se integracija vetrnih turbin te vrste pogosteje izvaja z uporaboposebne aerodinamične cilindre, ki so nameščeni na strehah nebotičnikov. Razvija se tudi koncept mini propelerjev, ki jih je mogoče postaviti na kateri koli del visokega gradbišča. Naprave so dobesedno vgrajene v stene, nato pa so priključene na splošni sistem napajanja in oddajajo majhno, a stabilno količino energije.

Sklep

V zadnjih letih se je zanimanje za vetrne turbine v Rusiji močno povečalo. V različnih regijah se občasno začnejo obratovati velike postaje z zmogljivostjo do 30-50 MW. Za našo državo so vetrnice še posebej koristne, ker nam omogočajo oskrbo z energijo oddaljenim regijam, kjer trenutno ni možnosti organiziranja drugih načinov oskrbe z energijo. Aktivno se razvija tudi segment malih vetrnih elektrarn. V Rusiji so postali zelo priljubljeni posamezni energetski sistemi z zmogljivostjo 1-5 kW. Hkrati razvijalci ne zavračajo združevanja načel delovanja vetrnic z motorji z notranjim zgorevanjem. Uspehe v tej smeri kažejo predvsem konstrukcije vetrnih dizelskih motorjev. Še vedno je težko reči, koliko vetrne energije bo v Rusiji povpraševanje v prihodnjih desetletjih, saj so pozicije tradicionalnih virov energije še vedno močne. Toda trendi pri prehodu na alternativno energijo po vsem svetu bodo verjetno spodbudili rusko industrijo k dejavnemu raziskovanju takšnih področij.