Větrné turbíny – větrná energie ve službách lidstva – FlexiHIT

větrný generátor (větrná elektrárna nebo zkráceně WPP) je zařízení pro přeměnu kinetické energie proudění větru na mechanickou energii otáčení rotoru s její následnou přeměnou na energii elektrickou.

Větrné turbíny lze rozdělit do tří kategorií: průmyslové, komerční a obytné (pro soukromé použití).

Průmyslové instaluje stát nebo velké energetické korporace. Obvykle jsou kombinovány do sítí, jejichž výsledkem je větrná elektrárna. Jeho hlavním rozdílem od tradičních (tepelných, jaderných) je naprostá absence jak surovin, tak odpadu. Jediným důležitým požadavkem na větrnou elektrárnu je vysoká průměrná roční hladina větru. Výkon moderních větrných generátorů dosahuje 8 MW.

Výkon větrného generátoru závisí na síle proudění vzduchu (), určené rychlosti větru a zametané ploše,

kde: — rychlost větru, — hustota vzduchu, — zametená plocha.

• 1 Typy větrných turbín
  • 1.1 Výhody a nevýhody různých typů větrných turbín
  • 5.1 Tseny
  • 6.1 Konstrukce malé větrné turbíny
  • 6.2 Výhody a nevýhody provozu
  • 6.3 Vývoj

  Typy větrných turbín [ ]

  [1] Existují klasifikace větrných generátorů podle počtu lopatek, podle materiálů, ze kterých jsou vyrobeny, podle osy otáčení a podle stoupání vrtule.

  Existují dva hlavní typy větrných turbín:

  • se svislou osou rotace („kolotoč“ – rotor (včetně „Savonius rotoru“, nebo přesněji „rotoru bratří Voroninů“) Začátkem října 1924 obdrželi ruští vynálezci bratři Ya. A. a A. A. Voroninovi sovětský patent na turbínu s příčným rotorem, v následujícím roce finský průmyslník Sigurd Savonius uspořádal tuto „turbinu“ masovou výrobu orbla thogonální – Darrieův rotor);
  • s vodorovnou osou kruhového otáčení (lopatkový typ). Jsou vysokorychlostní s malým počtem lopatek a pomaloběžné vícelopatkové, s účinností až 40 %.

  Existují také bubnové a rotorové větrné turbíny.

  Větrné turbíny obvykle používají tři lopatky k dosažení kompromisu mezi točivým momentem (se zvyšujícím se počtem lopatek) a rychlostí rotace (s rostoucím počtem lopatek klesá).

  Výhody a nevýhody různých typů větrných turbín [ ]

  Betzův zákon předpovídá, že faktor využití větrné energie (WEF) horizontálních, vrtulových a vertikálních osových turbín je omezen konstantou 0,593. K dnešnímu dni je faktor využití větrné energie dosahovaný horizontálními vrtulovými větrnými turbínami 0,4. V současné době je tento koeficient pro větrné generátory (větrné turbíny) GRC-Vertical 0,38. Experimentální studie ruských instalací s vertikální osou ukázaly, že dosažení hodnoty 0,4-0,45 je zcela reálný úkol. Koeficienty využití větrné energie u vrtulí s horizontální osou a větrných turbín s vertikální osou jsou tedy blízké.

  Zařízení [ ]

  1. větrná turbína namontovaná na stožáru s kotevními dráty a roztočená rotorem nebo lopatkami;
  2. elektrický generátor;

  Přijatá elektrická energie jde do:

  • Ovladač nabíjení baterie připojen k
    • baterie (obvykle bezúdržbové 24V)
    1. Nadace
    2. Napájecí skříň včetně výkonových stykačů a ovládacích obvodů
    3. Věž
    4. Schody
    5. Otočný mechanismus
    6. Gondola
    7. Elektrický generátor
    8. Systém sledování směru a rychlosti větru (anemometr)
    9. Brzdový systém
    10. Přenos
    11. Čepele
    12. Systém pro změnu úhlu náběhu čepele
    13. Kryt
    • Hasicí systém
    • Telekomunikační systém pro přenos dat o provozu větrného generátoru
    • Systém ochrany před bleskem
    • Pitch drive
    1. Malý DC motor (3-12V) (používá se jako generátor)
    2. Silikonová usměrňovací dioda
    3. Elektrolytický kondenzátor (1000uF 6V)

    Problémy provozu průmyslových větrných turbín [ ]

    [3] Průmyslová větrná turbína je postavena na připraveném místě za 7-10 dní. Získání regulačních povolení k výstavbě větrné farmy může trvat rok i déle. [kde?] Kromě toho je pro zdůvodnění výstavby větrné turbíny nebo větrného parku nutné provést dlouhodobé (minimálně roční) větrné studie v oblasti stavby. Tato opatření výrazně prodlužují dobu realizace projektů větrné energetiky.

    Stavba vyžaduje cestu na staveniště, místo pro umístění jednotek při instalaci a těžká zvedací zařízení s dosahem výložníku více než 50 metrů, protože gondoly jsou instalovány ve výšce asi 50 metrů.

    Při provozu průmyslových větrných generátorů vznikají různé problémy:

    • Nesprávný návrh základů. Pokud je základ věže nesprávně navržen nebo není správně uspořádána drenáž základů, může věž spadnout v důsledku silného poryvu větru.
    • Námraza lopatek a dalších částí generátoru. Námraza může zvýšit hmotnost lopatek a snížit účinnost větrného generátoru. Pro provoz v arktických oblastech musí být části větrného generátoru vyrobeny ze speciálních mrazuvzdorných materiálů. Kapaliny používané v generátoru nesmí zamrznout. Zařízení, které měří rychlost větru, může zamrznout. V tomto případě může být účinnost větrného generátoru vážně snížena. Kvůli námraze mohou přístroje vykazovat nízkou rychlost větru a rotor zůstane nehybný.
    • Odpojení/porucha brzdového systému. V tomto případě čepel získá příliš velkou rychlost a v důsledku toho se zlomí.
    • Odpojení. Při prudkém kolísání rychlosti větru se spustí elektrická ochrana zařízení obsažených v systému, což snižuje účinnost systému jako celku. U velkých větrných elektráren je také vysoká pravděpodobnost, že se spustí ochrana na odchozích elektrických vedeních.
    • Nestabilita generátoru. Protože většina průmyslových větrných elektráren používá asynchronní generátory, jejich stabilní provoz závisí na stálosti napětí v přenosovém vedení.
    • Požáry. K požárům může dojít v důsledku tření mezi rotujícími částmi uvnitř gondoly, úniku oleje z hydraulických systémů, přetržení kabelů atd. Požáry větrných turbín jsou vzácné, ale je obtížné je uhasit kvůli odlehlosti větrných elektráren a vysoké nadmořské výšce, ve které k požáru dochází. Moderní větrné turbíny jsou vybaveny hasicími systémy.
    • Údery blesku. Úder blesku může způsobit požár. Na moderních větrných generátorech jsou instalovány systémy odstraňování blesků.
    • Hluk a vibrace.

    Slibný vývoj [ ]

    [4] Norská společnost StatoilHydro a německý koncern Siemens AG vyvinuly plovoucí větrné turbíny pro hlubokomořské stanice. StatoilHydro postavil demonstrační verzi 2,3 MW v červnu 2009. Turbína s názvem Hywind, vyvinutá společností Siemens Renewable Energy, váží 5 tun a je vysoká 300 metrů. Nachází se 65 kilometrů od ostrova Karmøy, nedaleko jihozápadního pobřeží Norska. Společnost plánuje do budoucna zvýšit výkon turbíny na 10 MW a průměr rotoru na 5 metrů. Podobný vývoj probíhá v USA.

    Firma Magenn vyvinula speciální větrem rotující aerostat s nainstalovaným generátorem, který se sám tyčí do výšky 120-300 metrů. Není potřeba stavět věž a zabírat půdu. Zařízení pracuje v rozsahu rychlosti větru od 1 m/s do 28 m/s. Zařízení lze přemístit do větrných oblastí nebo rychle nainstalovat na místa katastrofy.

    Windrotor nabízí výkonnou konstrukci rotoru turbíny, která umožňuje výrazné zvýšení jeho velikosti a účinnosti větrné energie. Očekává se, že tato konstrukce se stane novou generací rotorů větrných turbín. [zdroj neuveden 2847 dní]

    V květnu 2009 byla v Německu společností Advanced Tower Systems (ATS) uvedena do provozu první větrná turbína instalovaná na hybridní věži. Spodní část věže, vysoká 76,5 metru, je postavena z železobetonu. Horní část vysoká 55 metrů je postavena z oceli. Celková výška větrné turbíny (včetně lopatek) je 180 metrů. Zvětšením výšky věže se zvýší výroba elektřiny až o 20 %.

    Na konci roku 2010 španělské společnosti Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros a DIgSILENT Ibérica vytvořily skupinu pro společný vývoj 15,0 MW větrné turbíny.

    Evropská unie vytvořila výzkumný projekt UpWind s cílem vyvinout pobřežní větrnou turbínu o výkonu 20 MW.

    V roce 2013 japonská společnost Mitsui Ocean Development & Engineering Company vyvinula hybridní instalaci: větrná turbína a turbína poháněná přílivovou energií jsou instalovány na jedné ose plovoucí ve vodě.

    Největší výrobci [ ]

    [5] Tabulka 10 největších výrobců průmyslových větrných turbín v roce 2010, MW:

    více: Ne., Jméno .

    číslo	Jméno	Země	Objem výroby, MW.
    1	Vestas	Dánsko	5 842
    2	Sinovel	Čína	4 386
    3	GE Energy	United States	3 796
    4	Zlatý vítr	Čína	3 740
    5	Enercon	Německo	2 846
    6	Suzlon Energy	Indie	2 736
    7	Dongfang Electric	Čína	2 624
    8	gamesa	Španělsko	2 587
    9	Siemens Vítr	Německo	2 325
    10	United Power	Čína	1 600

    V roce 2014 dosáhla celková kapacita výrobců turbín 71 GW.

    Ceny [ ]

    Bloomberg New Energy Finance vypočítává index cen větrných turbín. Od roku 2008 do roku 2010 klesly průměrné ceny větrných turbín o 15 %. V roce 2008 byla průměrná cena větrné turbíny 1,22 milionu eur za 1 MW kapacity.

    V srpnu 2010 byla průměrná cena jednoho MW větrné turbíny 1,04 milionu eur.

    Malé větrné turbíny [ ]

    [6] Malá větrná energie zahrnuje zařízení s výkonem menším než 100 kW. Zařízení s výkonem menším než 1 kW jsou klasifikována jako mikrovětrná energie. Používají se na jachtách, zemědělských farmách pro zásobování vodou atd.

    Konstrukce malé větrné turbíny [ ]

    1. Rotor; čepele; větrná turbína; ocas orientující rotor proti větru
    2. Generátor
    3. Stožár s chlapy
    4. Regulátor nabíjení baterie
    5. Baterie (obvykle bezúdržbové 24 V)
    6. Střídač (= 24V -> ~ 220V 50Hz) připojený k elektrické síti

    Malé větrné generátory mohou pracovat autonomně, to znamená bez připojení k obecné elektrické síti.

    Některé moderní domácí UPS mají modul pro připojení stejnosměrného zdroje speciálně pro práci se solárními panely nebo větrnými generátory. Tímto způsobem může být větrný generátor součástí systému napájení domácnosti a snižuje spotřebu energie z elektrické sítě.

    Výhody a nevýhody provozu [ ]

    V současné době, i přes růst cen energií, nepředstavují náklady na elektřinu pro většinu výrobních zařízení žádnou významnou částku ve srovnání s ostatními náklady [zdroj neuveden 3380 dní]. Klíč pro spotřebitele zůstává spolehlivost и stability zdroj napájení.

    Hlavní faktory, které vedou ke zvýšení nákladů na energii pro průmyslové využití získanou z větrných turbín, jsou:

    • potřeba získat elektřinu průmyslové kvality ~ 220 V 50 Hz (používá se invertor, dříve se k tomuto účelu používal invertor)
    • nutnost autonomního provozu po určitou dobu (používají se baterie);
    • potřeba dlouhodobého nepřetržitého provozu spotřebitelů (používá se dieselový generátor);

    Předpokládá se, že použití malých autonomních větrných generátorů v každodenním životě je málo užitečné kvůli:

    • vysoká cena baterií: ~ 25 % instalačních nákladů (používá se jako nepřerušitelný zdroj napájení při absenci nebo ztrátě externí sítě);
    • relativně vysoké náklady na střídač (používá se k přeměně střídavého nebo stejnosměrného proudu přijímaného z větrného generátoru na střídavé napětí standardní domácí elektrické sítě (220 V, 50 Hz).
    • často je potřeba přidat k němu dieselagregát, který je cenově srovnatelný s celou instalací.

    S přítomností společné elektrické sítě a moderního UPS s dvojitou konverzí se však tyto faktory stávají irelevantními, často také poskytují možnost doplnění různými nestabilními zdroji stejnosměrného proudu, jako je větrný generátor nebo solární baterie.

    Ekonomicky nejschůdnější možností je v současnosti získávat nikoli průmyslovou elektrickou energii, ale stejnosměrný nebo střídavý proud (proměnná frekvence) pomocí větrných generátorů s následnou přeměnou na teplo pomocí topných těles pro vytápění bydlení a ohřev teplé vody. Toto schéma má několik výhod:

    • Vytápění je hlavním spotřebitelem energie každého domu.
    • Větrný generátor a obvod automatizace řízení jsou radikálně zjednodušeny.
    • V nejjednodušším případě může být automatizační obvod postaven na několika tepelných relé.
    • Jako akumulátor energie lze použít běžný kotel s vodou pro vytápění a ohřev teplé vody.
    • Spotřeba tepla není tak náročná na kvalitu a návaznost teplotu vzduchu v místnosti lze udržovat v širokém rozmezí: 19-25 °C; v teplovodních kotlích: 40-97 °C, bez poškození spotřebitelů.

    vývoj [ ]

    Průmysl domácích větrných generátorů se aktivně rozvíjí a za poměrně rozumné peníze si již můžete pořídit větrnou turbínu a zajistit energetickou nezávislost vašeho venkovského domu na mnoho let. Pro dodávku elektřiny do malého domu obvykle stačí instalace o jmenovitém výkonu 1 kW při rychlosti větru 8 m/s. Pokud není oblast větrná, lze větrný generátor doplnit fotovoltaickými články nebo dieselagregátem, větrné generátory s vertikální osou lze doplnit menšími větrnými generátory (například turbínu Darrieus lze doplnit Savoniovým rotorem. V tomto případě si jeden neruší druhé – zdroje se budou doplňovat).

    Za nejslibnější regiony pro rozvoj malé větrné energie jsou považovány regiony s náklady na elektřinu vyššími než 0,1 USD za kWh. Náklady na elektřinu vyrobenou malými větrnými turbínami v USA v roce 2006 byly 0,10 – 0,11 USD za kWh.

    Americká asociace pro větrnou energii (AWEA) očekává, že náklady během příštích 5 let klesnou na 0,07 USD za kWh. Podle AWEA bylo v roce 2006 ve Spojených státech prodáno 6807 17 malých větrných turbín. Jejich celkový výkon je 543 56 kW. Jejich celková cena je 082 850 3200 USD (přibližně 2006 9502 USD za kW výkonu). Ve zbytku světa se v roce 19 prodalo 483 XNUMX malých turbín (kromě USA) o celkovém výkonu XNUMX XNUMX kW.

    Na konci roku 2007 oznámilo americké ministerstvo energetiky (DoE) připravenost financovat zejména malé (do 5 kW) větrné generátory pro osobní potřebu.

    AWEA předpovídá, že do roku 2020 vzroste celková kapacita malé větrné energie ve Spojených státech na 50 tisíc MW, což bude činit asi 3 % celkové kapacity země. Větrné turbíny budou instalovány v 15 milionech domácností a 1 milionu malých podniků. Malý průmysl větrné energetiky zaměstná 10 tisíc lidí. Ročně budou vyrábět produkty a služby v hodnotě více než 1 miliardy dolarů.

    V Rusku se trend instalace větrných generátorů pro zásobování domácností elektřinou teprve objevuje. Na trhu je doslova několik výrobců domácích větrných generátorů s nízkým výkonem speciálně pro domácí použití. Ceny za větrné generátory s kapacitou 1 kW a kompletní sadou začínají od 35 do 40 tisíc rublů (od roku 2012). Certifikace pro instalaci tohoto zařízení není vyžadována.

    Viz také [ ]

    • Síla větru
    • Větrná elektrárna
    • Betzův zákon

    

    

    Zdroje energie jsou předmětem neustálého lidského hledání. Neustále potřebujeme, aby pro nás pracovala elektřina, tepelná a mechanická energie. A za celou dobu své existence se lidstvo naučilo využívat minerály, energii vody, Slunce a atomu. Není divu, že byl registrován i vítr.

    Významnou výhodou větrné energie oproti všem ostatním je, že je obnovitelná, neboť je to jeden z důsledků práce Slunce. Větrná energie studuje tuto oblast. Odborníci hledají nejpraktičtější a nejpohodlnější způsoby přeměny kinetické energie větru (přesněji atmosférických vzduchových hmot) na tepelnou, elektrickou a mechanickou energii pro využití v národním hospodářství.

    Historie využití větru v různých zemích

    Historie bitvy s větrem začala v dávných dobách. Již v roce 200 našeho letopočtu se Peršané naučili stavět větrné mlýny na mletí mouky. Tato technologie se do Evropy přesunula ve XNUMX. století.

    V 16. století byl v Evropě větrný mlýn kombinován s hydraulickým motorem, což umožnilo odvodňovat území jejich rekultivací z moře a také zásobovat suchá území vodou.

    Nejdůležitější byl ale rok 1890, kdy byla v Dánsku vynalezena větrná elektrárna. Tak se lidstvo naučilo získávat potřebnou elektřinu prakticky ze vzduchu. Byl to předchůdce větrných turbín s horizontální osou vyráběných ve 30. letech XNUMX. století.

    Ale zpočátku lidé nedocenili potenciál vynálezu, masové použití začalo až v 80. letech. Ale dnes je rozsah využití větrné energie působivý.

    Síla větrných elektráren byla poprvé hodnocena ve Spojených státech, ale lokálně – v Kalifornii. Právě zde se nacházejí největší větrné elektrárny, které se často objevují ve filmech. Podívaná je skutečně rozsáhlá a hypnotizující – v poušti se rytmicky točí obří větrné mlýny. Ale tato umělá krása je také neuvěřitelně užitečná, jedna taková větrná farma stačí k plnému zásobování malé osady elektřinou.

    Až v 30. století začala Evropa překonávat Spojené státy v počtu využívaných větrných elektráren a objemu energie vyrobené s jejich pomocí. Dánsko je zde považováno za lídra ve výrobě, přibližně 19 % veškeré elektřiny se vyrábí pomocí moderních větrných turbín. Na druhém místě je Portugalsko – 16 %, mírně za ním je Španělsko – 14 %, následuje Irsko – 8 % a Německo – XNUMX %.

    V Rusku se větrné elektrárny stále používají zřídka, protože většinu energie vyrábějí jaderné elektrárny a vodní elektrárny. Postupně se ale zvyšuje podíl větrných generátorů. Pomalé tempo růstu je způsobeno nedostatkem financí.

    Princip činnosti a konstrukce větrného generátoru

    Větrný generátor, nazývaný také větrný mlýn nebo větrná turbína, je zařízení na tyči vybavené rotujícími lopatkami. Rozšířily se větrné mlýny se svislou a vodorovnou osou otáčení. První jsou rotorové a lopatkové, druhé jsou lopatkové.

    Každá větrná turbína se skládá z následujících prvků:

    • Větrná turbína na stožáru, roztočená lopatkami nebo rotorem.
    • Elektrický generátor.
    • Baterie.
    • Regulátor nabíjení baterie.
    • střídač.

    Průmyslová instalace je přitom mnohem větší a má spoustu doplňkových prvků.

    Princip činnosti je poměrně jednoduchý: větrná energie roztáčí lopatky, přenáší se nejprve na elektromotor a poté na generátor. Rotace generátoru přispívá k vytváření elektrického proudu, který se naopak hromadí v bateriích. Jako poslední je do cyklu zařazen převodník, který vytváří požadovanou napěťovou úroveň.

    Vytápění větrem

    

    Ačkoli výroba elektřiny pomocí větrných turbín je zisková pouze ve velkém měřítku, podobně jako v průmyslovém měřítku, kvůli vysokým nákladům na zařízení. Jeden větrný generátor stačí k vytápění jednoho domu. Tato technologie si postupně získává na popularitě.

    Topná tělesa systémů vytápění a zásobování teplou vodou jsou napojena na baterie, které se nabíjejí pomocí větrné energie. V tomto případě si majitel může vybrat jakýkoli typ topného systému, který je napájen z elektrické sítě.

    Experimenty dokazují, že větrný mlýn může udržovat teplotu chladicí kapaliny na 65-75 stupních, pokud je jeho objem v systému 200 litrů, což je docela dost pro domácí účely. Problém vytápění a zásobování vodou pro dům o rozloze do 200 metrů čtverečních je zcela vyřešen.

    Výhody větrných generátorů

    • Hlavní výhodou větrné energie je, že vítr je obnovitelný zdroj energie.
    • Na rozdíl od jiných typů elektráren jsou větrné elektrárny šetrné k životnímu prostředí, neprodukují žádné emise do ovzduší, což je důležité zejména v kontextu boje za čisté životní prostředí.
    • Náklady na elektřinu z velkých větrných elektráren jsou velmi nízké, v Evropě se toto číslo pohybuje kolem 4-6 centů za kilowatt. Pouze jaderné elektrárny poskytují levnější energii, ale zároveň jsou mnohem nebezpečnější.
    • Známá zajímavost: energii generovanou tepelnými elektrárnami nahrazuje větrná energie, která snižuje emise skleníkových plynů.
    • Větrná energie snižuje potřebu jaderných elektráren a produktů ropných společností, což má v planetárním měřítku pozitivní vliv na životní prostředí.
    • Větrné turbíny mohou být instalovány v místech, kde není možné dodávat elektřinu.

    Nevýhody větrných generátorů

    Navzdory četným výhodám větrných elektráren mají také několik nevýhod:

    • Rychlá návratnost pouze ve velkém měřítku.
    • Potřeba velkých ploch pro vytvoření větrných elektráren.
    • Pracovat je možné pouze v oblastech, kde je dost větrno.
    • Potřeba zavést inteligentní systémy pro boj s proměnlivostí hmotností větru.
    • Vysoké náklady na zařízení a jeho údržbu.
    • Vliv na sílu, rychlost a trasy větrných mas (zatím málo prozkoumáno, ale negativní dopad již byl zaznamenán).
    • Negativní účinky na ptáky a létající zvířata (především netopýry).
    • Vysoká hladina hluku (srovnatelná s hlukem jedoucího auta).
    • Silné rádiové rušení.

    Perspektivy využití větrné energie jsou velmi široké a dosud nebyly plně prozkoumány. Je zřejmé, že nevýhody jsou více než vyváženy výhodami, ale vysoká cena a nutnost složité údržby zatím neumožňují plné využití větrných elektráren na celé planetě.