Vjetroelektrane: vrste, dizajn, prednosti

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Energija vjetra daleko je od nove grane opskrbe energijom, međutim, u sadašnjim uvjetima sve je izraženija obilježja perspektivnog smjera daljnjeg razvoja. Još uvijek je teško govoriti o univerzalnim konceptima za tehničku implementaciju vjetrogeneratora, ali napredak u korištenju pojedinačnih inženjerskih rješenja sugerira da će se u bliskoj budućnosti pojaviti jedinstveni jedinstveni strukturni model. Istovremeno, u svijetu se koristi nekoliko vrsta vjetroagregata, od kojih svaka ima svoje prednosti.

Opći princip rada vjetroturbina

Poput većine modernih alternativnih izvora energije, vjetroturbina radi zahvaljujući sili koja djeluje kao rezultat prirodnog procesa. Govorimo o strujanjima vjetra koji su posljedica neravnomjernog zagrijavanjazemljine površine suncem. Gotovo sve vjetroturbine rade po sljedećem principu: tokovi zraka zakreću kotač na posebnoj osovini s lopaticama, prenoseći tako moment na generator ili bateriju. U uvjetima stabilnosti i dovoljne sile kretanja zraka, vjetrenjače za proizvodnju električne energije mogu osigurati učinkovitost od 45-50%. Upravo je varijabilnost vjetra i njegova snaga ono što određuje široku paletu dizajna vjetroturbina, koje se također izračunavaju na temelju specifičnih klimatskih uvjeta korištenja.

Koje su glavne prednosti vjetroturbina?

Procijeniti učinkovitost vjetroturbina može se kako u usporedbi s tradicionalnim izvorima energije, tako i na pozadini generatora koji rade na obnovljivim besplatnim izvorima. Najizraženije prednosti ovakvih sustava, koje daju nadu u njihov uspješan razvoj u budućnosti, su sljedeći čimbenici:

• Energija vjetra sama po sebi nije samo obnovljiva, već je dostupna i za akumulaciju i obradu.
• Ekonomska korist. Nedvosmislene ocjene o konkretnim ekonomskim pokazateljima još ne mogu biti posljedica raznolikosti sustava koji rade s različitim performansama. No, možemo govoriti o izvanrednim rezultatima pojedinih projekata. Na primjer, koliko košta kilovat struje iz velike vjetrenjače na moru? Možemo govoriti o rasponu od 2-12 rubalja. za 1 kWh.
• Ekološki. Rad vjetroturbina ne osigurava štetnostemisije onečišćujućih tvari u zrak.
• Kompaktan. Ugradnja vjetroturbine, čak ni u industrijskom formatu, ne može se usporediti s tradicionalnim elektranama. To je uglavnom zbog autonomije i neovisnosti takvih sustava od pomoćnih komunikacija i resursa.

Generatori vodoravne osi

Šema dizajna takvih vjetrenjača predviđa prisutnost električnog generatora, mjenjača, lopatica i tornja s okvirom. Konfiguracija lopatica izvedena je na način da zrak struji u lijevak, što stvara torzijski moment. Važan uvjet za rad ovakvih vjetrenjača za proizvodnju električne energije je sposobnost prilagodbe karakteristikama kretanja tokova (smjer i snaga). Za to su konstrukcije opremljene mehanizmima za okretanje i naginjanje lopatica u odnosu na površinu zemlje. U najnaprednijim modelima koriste se i kontroleri s automatskim upravljanjem. Što se tiče implementacije kotača vjetra, konfiguracija s tri lopatice češće se koristi u horizontalnim shemama. Štoviše, kako bi se povećale performanse generatora, inženjeri teže povećanju veličine funkcionalnog prihvatnog dijela, što, na primjer, objašnjava trenutni trend prelaska s plastike i lakih metala na skupe kompozitne elemente u proizvodnji konstrukcija.

Generatori okomitih osi

Takvi generatori imaju značajnu prednost u odnosu na horizontalne strukture,što se sastoji u odsustvu potrebe za dodatnim sredstvima nadzora i upravljanja instalacijom. Odnosno, u procesu rada vjetrenjača s okomitom osi ni na koji način se ne prilagođava kretanju tokova. Ova značajka interakcije sa zračnim masama istovremeno smanjuje napon u lopaticama vjetrogeneratora i smanjuje žiroskopska opterećenja. Generator s zupčanikom, koji čini motor postrojenja, može se nalaziti u podnožju tornja strukture bez opasnosti od oštećenja ili kvara. Ali zašto uz opisane prednosti vertikalne instalacije nisu zamijenile potpuno horizontalne vjetrenjače? Nažalost, ovi modeli imaju i značajne nedostatke. Budući da kotač vjetra nije vođen tokovima vjetra i uvijek radi u uskom rasponu raspona hvatanja energije, performanse generatora su logično smanjene. Stoga je za održavanje dovoljne snage vertikalnih vjetrenjača potrebna njihova masovna uporaba na velikim površinama, što nije uvijek moguće.

Dizajni temeljeni na Darrieus rotoru

Vjetrogeneratori s vertikalnim impelerom temelje se na dizajnu rotora Savonius ili Darrieus. Ali ova skupina također ima svoje varijacije i moderne modifikacije. Najperspektivniji noviji razvoj je Gorlov helikoidna turbina, nastala 2001. To je svojevrsni nastavak Darrieusovog koncepta rotora, ali u optimiziranijem obliku. Spiralne okomite lopatice omogućuju generiranje energije iz protoka vode i zraka uz minimalnu aktivnost. Danas ovi generatorikoriste se i u specijaliziranim vjetroelektranama i kao dio hidroelektrana.

Generatori vjetra s pojačalima toka

Također, na neki način, nastavak klasičnih dizajna vjetrenjača, ali prilagođenih trenutnim uvjetima rada visoke tehnologije. Modifikacije s pojačivačima protoka razlikuju se po prisutnosti jednog ili više oluka, koji su dizajnirani za koncentriranje protoka zraka. Aerodinamički stožasti elementi u obliku istih tih žljebova skupljaju tokove na velikom području, usmjeravaju ih u jednu točku smjera i time povećavaju brzinu sustava lopatica. Poteškoća korištenja vjetroturbina s pojačivačima protoka je u tome što zahtijevaju korištenje dodatne elementarne skupine. Štoviše, značajno povećanje produktivnosti u takvim sustavima moguće je postići samo povezivanjem pomoćnih izvora energije, što nije uvijek ekonomski opravdano.

Vjetroturbine bez zupčanika

U skladu s idejom strukturalne optimizacije, pojavila se i varijanta vjetroelektrane bez mjenjača. Umjesto toga, koristi se prstenasti kanal s unutarnjom metalnom šipkom. Ovaj prsten je postavljen oko ruba rotora. Ovdje se također nalazi skupina magneta, koja je u interakciji s metalnom šipkom, pridonoseći tako stvaranju struje. Učinak vjetroturbina bez mjenjača s promjerom rotora od oko 200 cm može doseći 1500 kWhu godini. Glavna prednost ovog dizajna je smanjenje gubitaka energije koji se prirodno javljaju u radu generatora opremljenih mjenjačima. Ali ovu prednost morate platiti ograničenjima brzine. Da bi jedinica ušla u optimalan tijek rada, potrebna je brzina protoka od najmanje 2 m/s.

Značajke industrijskih vjetroturbina

Industrijske vjetrenjače imaju dvije temeljne razlike - veliku veličinu i veliku izlaznu snagu. Iz ovih značajki proizlaze i prednosti i nedostaci stanica ovog tipa. Što se tiče strukture, dovoljno je reći da visina modernih industrijskih vjetrenjača može doseći 150-200 m, a raspon lopatica može biti veći od 100 m. Velika snaga također zahtijeva složenost funkcionalne infrastrukture. Dakle, za upravljanje procesom pretvorbe energije koriste se regulatori vjetrogeneratora koji osiguravaju da se u obzir uzme trenutna napunjenost baterije. Osim toga, električno punjenje takvih instalacija uključuje pretvarače i sustave zaštite od kratkog spoja.

Karakteristike kućanskih vjetroturbina

Najjednostavnije vjetrenjače ne mogu se koristiti samo kod kuće, već se mogu sastaviti i ručno. U pravilu su to male instalacije s visinom ne više od 10 m, sposobne za rad pri snazi od 0,5-5 kW. Kao pasivni izvor energije za kućanske aparateili pojedine skupine električnih uređaja, ova opcija se opravdava. Međutim, kompaktne vjetroturbine danas u velikom broju koriste velike tvrtke za napajanje proizvodnih pogona. Na temelju mini farmi vjetrenjača formiraju se dovoljno produktivni i pouzdani sustavi koji mogu konkurirati pojedinačnim generatorima velike snage.

Značajke vjetroturbina na moru

Popularnost ove vrste vjetrenjača rezultat je nekoliko prednosti u odnosu na stanice koje se nalaze na kopnu. Ovdje se uglavnom radi o stabilnijim uvjetima rada, budući da tokovi vjetra nisu ometani od obale. Istodobno, strukture vjetroturbina na moru podijeljene su u dvije skupine - noseće i plutajuće. Prvi se ugrađuju u plitku vodu s klasičnim osloncem u tlo pod vodom. Plutajuće stanice, odnosno, imaju vlastitu plutajuću platformu s fiksiranjem pomoću sidara i drugih pomorskih uređaja.

Kombinacija konstrukcija vjetroturbina s građevinskim okvirima

Postoji i vrlo obećavajuća skupina vjetrenjača koje su doslovno integrirane u trupove visokih zgrada. Ovo rješenje ima dvije prednosti - povoljne uvjete za "prijam" tokova i smanjenje puta isporuke električne energije, budući da su krajnji izvor napajanja najčešće potrošači unutar zgrade. Trenutno se integracija vjetroagregata ovog tipa češće obavlja korištenjemposebne aerodinamičke cilindre koji se postavljaju na krovove nebodera. Razvija se i koncept mini propelera koji se mogu postaviti u bilo koji dio visokog gradilišta. Uređaji su doslovno integrirani u zidove, nakon čega se spajaju na opći sustav napajanja, dajući malu, ali stabilnu količinu energije.

Zaključak

Posljednjih godina u Rusiji se značajno povećao interes za vjetroturbine. Velike stanice kapaciteta do 30-50 MW povremeno se puštaju u rad u različitim regijama. Za našu zemlju vjetrenjače su posebno korisne jer nam omogućuju opskrbu energijom udaljenim krajevima gdje trenutno ne postoji mogućnost organiziranja drugih načina opskrbe energijom. Aktivno se razvija i segment malih vjetroelektrana. U Rusiji su pojedinačni energetski sustavi s kapacitetom od 1-5 kW postali vrlo popularni. Istodobno, programeri ne odbijaju kombinirati principe rada vjetrenjača s motorima s unutarnjim izgaranjem. Uspjesi u ovom smjeru pokazuju, posebice, dizajn vjetro-dizela. Još uvijek je teško reći koliko će energija vjetra biti tražena u Rusiji u idućim desetljećima, budući da su pozicije tradicionalnih izvora energije još uvijek jake. No, trendovi u tranziciji na alternativnu energiju diljem svijeta vjerojatno će potaknuti rusku industriju da aktivno istražuje takva područja.