10 faktů o lopatkách větrných turbín

Větrná turbína (větrná elektrárna) je mechanické zařízení, které přeměňuje kinetickou energii generovanou větrem na energii elektrickou. Lopatky větrných turbín hrají důležitou roli a jejich tvar, úhel, hmotnost a použité materiály mohou mít velký vliv na účinnost turbíny při výrobě elektřiny.

Lopatky musí mít aerodynamický profil, aby vytvářely vztlak a generovaly maximální točivý moment pro otáčení turbíny a hnacích generátorů. Tvar listu větrné turbíny je tedy životně důležitý pro základní fungování stroje.

1. Délka lopatek ovlivňuje větrnou elektrárnu

Větrná turbína s delšími lopatkami bude schopna zachytit více dostupného větru než kratší lopatky, a to i v oblastech s relativně slabým větrem. Schopnost sbírat více větru při nižších rychlostech větru by mohla zvýšit počet oblastí dostupných pro větrnou energii.

2. Délka lopatek větrné turbíny

Lopatky těchto větrných turbín jsou v průměru dlouhé asi 50 metrů, což jim umožňuje pokrýt větší plochu, zachytit více větru a vyrobit více elektřiny. Rekordmanem tohoto parametru jsou v tuto chvíli větrné turbíny Siemens Gamesa Renewable Energy o výkonu 14 MW, které využívají 108metrové lopatky.

Dnes jsou nejběžnější průmyslové větrné turbíny vysoké asi 70 metrů. Jejich výkon se liší v závislosti na velikosti a výšce, ale obvykle se pohybuje od jednoho do pěti megawattů.

3. Nejlepší tvary lopatek větrných mlýnů

Čím rychleji fouká vítr, tím větší vztlak se vytváří na čepeli, proto je rotace rychlejší. Výhody zakřiveného listu rotoru oproti plochému listu jsou v tom, že zdvih umožňuje, aby se špičky lopatek větrné turbíny pohybovaly rychleji, než se pohybuje vítr, čímž vzniká větší výkon a vyšší účinnost.

Optimální tvar lopatky větrné turbíny je zakřivená lopatka, protože tento tvar umožňuje vyšší rychlosti otáčení, což je ideální pro výrobu energie. Tyto lopatky turbíny mohou zachytit o 5-10 % více větrné energie. Zakřivené lopatky také fungují efektivněji v oblastech s nižší rychlostí větru.

Zakřivený tvar lopatky generuje vztlak z nízkého tlaku vzduchu generovaného na straně s největším zakřivením a sil vysokotlakého vzduchu na druhé straně profilu lopatky. Tyto dvě síly vytvářejí vztlakovou sílu kolmou na proudění vzduchu přes lopatky turbíny. Dobře navržená lopatka rotoru turbíny bude produkovat přesné množství zdvihu a tahu, které poskytuje optimální vzduchovou retardaci pro zlepšení účinnosti lopatky.

4. Měly by být lopatky větrné turbíny lehké?

Lopatky větrných turbín musí být lehké, protože jsou účinnější, když jsou lehčí. To usnadňuje montáž a demontáž větrných turbín a také usnadňuje jejich otáčení, čímž se zvyšuje jejich výkon. Velké větrné turbíny s těžkými lopatkami mohou také negativně ovlivnit místní volně žijící zvířata, zejména hejna stěhovavých ptáků, kteří se zachytí lopatkami a zemřou.

5. Nejlepší úhel pro lopatky větrné turbíny závisí na rychlosti větru

Pro každou rychlost větru existuje optimální úhel lopatky, při kterém je výkon generovaný větrným generátorem maximální. Tento optimální úhel závisí na rychlosti větru. Například úhel náklonu 5° je optimální pro větrný generátor při provozní rychlosti 7 m/s pro optimální výrobu energie, 20° při 15,1 m/s a 30° při 25,1 m/s. Provoz větrného generátoru pod jinými úhly vede ke snížení výkonu.

Tah se zvyšuje s rostoucí rychlostí přicházejícího proudu vzduchu v důsledku většího přenosu hybnosti. Tah se snižuje se zvyšujícím se úhlem lopatky v důsledku zmenšení přední plochy a tím i snížení odporu lopatky.

6. Větrné turbíny mají pouze tři lopatky

Lopatky větrného generátoru jsou připojeny k centrálnímu náboji. Tato sestava lopatek a náboje se nazývá rotor turbíny, který generuje aerodynamický točivý moment z větru. Proč zrovna tři čepele?

• Za prvé, použití více než tří lopatek má malý vliv na účinnost větrné turbíny, která se zvyšuje velmi málo, pokud jsou použity čtyři lopatky místo tří, ale hmotnost rotoru se zvyšuje a rychlost otáčení, při které je dosaženo špičkového výkonu, klesá.
• Za druhé, více čepelí znamená vyšší náklady na materiál a výrobu. Více nožů vyžaduje více údržby. Jak se počet lopatek zvyšuje, musí být tenčí, což má za následek ztrátu tuhosti a aerodynamické účinnosti. Velké množství lopatek může zvýšit tlak a způsobit převrácení celé konstrukce turbíny.
• Za třetí, tři lopatky umožňují dobře vyrovnat dynamické zatížení větrem na rotující rotor. Se třemi lopatkami zůstává moment hybnosti konstantní, protože když je jedna lopatka zvednutá, ostatní dvě jsou nasměrovány pod úhlem. Tímto způsobem se větrná turbína může plynule otáčet proti větru.

Ze všech těchto důvodů se tři lopatky staly standardem ve větrné energii.

7. Optimální rychlost otáčení lopatek větrné turbíny

Rychlost větrné turbíny určuje množství elektřiny, které dokáže vyrobit. Pokud se lopatky točí příliš pomalu, velké množství větru projde nerušeně, což omezí množství energie, kterou lze potenciálně vyrobit. Na druhou stranu, pokud se lopatky točí příliš rychle, chovají se ve větru jako velký plochý rotující disk, což vytváří obrovský odpor a omezuje množství energie, které lze vyrobit.

Optimální poměr rychlosti hrotu listu je definován jako poměr rychlosti hrotu listu k rychlosti větru. Tento ukazatel závisí na několika faktorech, včetně tvaru, počtu a konstrukce lopatek turbíny.

Standardní otáčky větrné turbíny se pohybují od 5 do 25 otáček za minutu. Moderní větrné turbíny jsou navrženy tak, aby se otáčely různými rychlostmi, a vysoce účinné třílopatkové turbíny mají optimální poměr otáček lopatek šest ku sedmi.

8. Materiál lopatek moderních větrných turbín

Materiál lopatek turbíny hraje rozhodující roli v účinnosti stroje na výrobu elektřiny. Lopatky větrných turbín musí mít nízkou hmotnost, vysokou pevnost, vysokou tuhost, vysokou únavovou pevnost a vysokou odolnost proti poškození, což jim umožňuje odolat úderům blesku, krupobití, vlhkosti a velkým teplotním změnám.

V současné době jsou komerční lopatky větrných turbín vyráběny z polymerů vyztužených vlákny, což jsou kompozity sestávající z polymerní matrice a vláken. Dlouhá vlákna v těchto materiálech poskytují pevnost a podélnou tuhost, zatímco matrice poskytuje pevnost mimo rovinu, pevnost delaminace, lomovou houževnatost a tuhost.

Plasty vyztužené skleněnými vlákny a uhlíkovými vlákny – plasty vyztužené skleněnými vlákny a uhlíkovými vlákny – jsou také dobré materiály pro čepele, protože mají vysokou lomovou houževnatost, odolnost proti únavě a tepelnou stabilitu.

9. Lopatky větrné turbíny se mohou otáčet v obou směrech

Stejně jako křídlo letadla generuje vztlak ze vzduchu proudícího pod ním, rotují lopatky rotoru větrné turbíny poháněné větrem proudícím po jeho povrchu. Listy rotoru větrné turbíny mohou být navrženy tak, aby se otáčely v obou směrech a vyráběly elektřinu – ve směru nebo proti směru hodinových ručiček.

Většina turbín se otáčí ve směru hodinových ručiček z důvodu pohodlí a jednotného globálního standardu. Směr otáčení rotoru však může být rozdíl, když jsou dvě nebo více větrných turbín umístěny za sebou.

10. Údržba a opravy nožů

Existují dva typy údržby: preventivní a nápravná. Prvním z nich je provádění pravidelných kontrol s cílem zjistit stav lopatek a hledat možné poškození. Tyto kontroly se provádějí různými způsoby: ze země, šplháním na radlice pomocí lan, jeřábů nebo zvedacích plošin.

Opravná údržba spočívá v opravě nebo rekonstrukci lopatek, aby se odstranilo poškození, které se objevuje jak na povrchu, tak v jeho struktuře. Lopatky větrných turbín mohou mít praskliny, poškození způsobené bleskem a ptáky nebo otvory na přední nebo zadní hraně a další poškození.

V současnosti se zkoumají alternativní systémy oprav a čištění, jako jsou dálkově ovládané drony, aby operátoři nemuseli lézt na větrné turbíny.