Elektrownie wiatrowe: rodzaje, konstrukcje, zalety

Energetyka wiatrowa nie jest jeszcze nową gałęzią energetyki, ale obecnie staje się coraz bardziej obiecująca dla dalszego rozwoju. Wciąż trudno o uniwersalne koncepcje projektowe dla turbin wiatrowych, ale sukces poszczególnych rozwiązań inżynieryjnych oznacza, że wkrótce powstanie jeden zunifikowany model projektowy. Obecnie na świecie stosuje się kilka rodzajów turbin wiatrowych, z których każda ma swoje mocne strony.

Ogólna zasada działania turbin wiatrowych

Jak większość nowoczesnych alternatywnych źródeł energii, generator wiatrowy działa wykorzystując siłę naturalnego procesu. Są to prądy wiatrowe powstające w wyniku nierównomiernego nagrzewania powierzchni ziemi przez słońce. Prawie wszystkie turbiny wiatrowe działają na następującej zasadzie: prądy powietrza obracają koło na specjalnym wale z łopatami, przekazując w ten sposób moment obrotowy do generatora lub akumulatora. W stabilnych i odpowiednio silnych warunkach turbiny wiatrowe do produkcji energii elektrycznej mogą osiągać sprawność na poziomie 45-50%. To właśnie niestałość wiatru i jego siła są powodem dużej różnorodności konstrukcji turbin wiatrowych, które są projektowane dla konkretnych warunków klimatycznych i mogą być wykorzystywane w szerokim zakresie.

Jakie są główne zalety turbin wiatrowych??

Szacunek sprawność operacyjna turbin wiatrowych można porównywać zarówno z tradycyjnymi źródłami energii, jak i z generatorami opartymi na zasobach odnawialnych bez opłat. Najbardziej wyraziste zalety takich systemów, dające nadzieję na ich pomyślny rozwój w przyszłości, są następujące

• Sama energia wiatrowa jest nie tylko odnawialna, ale również możliwa do magazynowania i przetwarzania.
• Korzyść ekonomiczna. Ze względu na różnorodność systemów działających z różną wydajnością nie ma jeszcze jednoznacznych szacunków dotyczących konkretnych wielkości ekonomicznych. Można jednak mówić o wybitnych wynikach, których dowodem są poszczególne projekty. Na przykład, ile kosztuje kilowat energii elektrycznej z dużej morskiej turbiny wiatrowej?? Może to być w przedziale 2 - 12 RUB. za kWh.
• przyjazność dla środowiska. Praca elektrowni wiatrowych nie powoduje żadnych szkodliwych emisji do atmosfery.
• Kompaktowość. Instalacja turbiny wiatrowej, nawet w formacie przemysłowym, nie może być porównywana z elektrowniami konwencjonalnymi. Wynika to w dużej mierze z autonomii i niezależności takich systemów od pomocniczych mediów i zasobów.

Generatory osi poziomej

Konstrukcja tych turbin wiatrowych obejmuje generator elektryczny, przekładnię, łopaty oraz wieżę z ramą wieży. Konfiguracja łopatek jest realizowana w taki sposób, że powietrze wpływa do leja, tworząc moment obrotowy. Ważnym wymogiem stawianym tym turbinom wiatrowym do wytwarzania energii jest zdolność do dostosowania się do charakterystyki przepływu (kierunek i siła). W tym celu konstrukcje są wyposażone w mechanizmy do obracania i przechylania łopat względem powierzchni ziemi. W najbardziej zaawansowanych modelach stosuje się również regulatory z automatycznym sterowaniem. Jeśli chodzi o realizację koła wiatrowego, to w schematach poziomych częściej stosuje się konfigurację trójłopatową. Aby zwiększyć wydajność generatorów, inżynierowie mają tendencję do zwiększania rozmiarów części funkcjonalno-odbiorczej, co na przykład wyjaśnia również obecny trend odchodzenia od tworzyw sztucznych i metali lekkich na rzecz drogich części kompozytowych w budowie konstrukcji.

Generatory osi pionowej

Generatory takie mają istotną przewagę nad konstrukcjami poziomymi, którą jest brak konieczności dodatkowego sterowania i zarządzania instalacją. To znaczy, że turbina wiatrowa o osi pionowej nie dostosowuje się w żaden sposób do ruchu prądów podczas pracy. Ten funkcja interakcji z masami powietrza jednocześnie zmniejsza naprężenia w łopatach wiatraka i obciążenia żyroskopowe. Generator i przekładnia, które stanowią silnik instalacji, mogą być umieszczone u podstawy konstrukcji wieży bez ryzyka uszkodzenia lub awarii. Dlaczego jednak dla opisanych zalet maszyny pionowe nie wyparły całkowicie wiatraków poziomych?? Niestety, takie modele mają też istotne wady. Ponieważ koło wiatrowe nie jest zorientowane na przepływy wiatru i zawsze pracuje w wąskim zakresie przechwytywania energii, logicznie rzecz biorąc, moc generatora jest również zmniejszona. Dlatego też utrzymanie odpowiedniej mocy pionowych turbin wiatrowych wymaga ich masowego stosowania z pokryciem dużych obszarów, co nie zawsze jest możliwe.

Konstrukcje oparte na wirniku Dariera

Turbiny wiatrowe o pionowym układzie wirników oparte są na konstrukcji wirnika Savoniusa lub Dariera. Ale grupa ta ma też swoje odmiany i współczesne modyfikacje. Najbardziej obiecującym ostatnim osiągnięciem jest turbina spiralna Gorlov, powstała w 2001 roku. Jest to swoista kontynuacja koncepcji rotora Dariera, ale w bardziej zoptymalizowanej formie. Pionowe łopatki o spiralnym kształcie generują energię z przepływu powietrza i wody przy minimalnej aktywności. Obecnie generatory takie stosowane są zarówno w wyspecjalizowanych farmach wiatrowych, jak i jako element elektrowni wodnych.

Turbiny wiatrowe z sprzęgłami strumieniowymi

Również w pewnym sensie rozszerzenie klasycznych konstrukcji turbin wiatrowych, ale z dostosowaniem do dzisiejszych zaawansowanych technologicznie warunków pracy. Wersje z funkcją flux boosters jeden lub Kilka korytek, które są przeznaczone do koncentracji strumieni powietrza. Aerodynamiczne elementy w kształcie stożka w postaci samych koryt zbierają przepływy na dużej powierzchni, orientując je na jeden punkt kierunkowy i tym samym zwiększając prędkość układu łopatkowego. Trudność w zastosowaniu turbin wiatrowych ze wzmacniaczami prądu polega na tym, że wymagają one dodatkowej grupy elementów. Ponadto znaczny wzrost wydajności w takich systemach można uzyskać jedynie poprzez podłączenie pomocniczych źródeł zasilania, co nie zawsze jest uzasadnione ekonomicznie.

Bezprzekładniowe turbiny wiatrowe

Zgodnie z ideą optymalizacji konstrukcji, dostępny jest również wariant turbiny wiatrowej bez przekładni. Zamiast tego stosuje się kanał pierścieniowy, który jest zabezpieczony wewnętrznym prętem metalowym. Pierścień ten jest umieszczony wokół obręczy wirnika. Tam też znajduje się grupa magnesów, które oddziałują na metalowy pręt, generując w ten sposób prąd. Wydajność produkcyjna bezprzekładniowych turbin wiatrowych o średnicy wirnika ok. 200 cm może wynosić do 1500 kWh rocznie. Podstawową zaletą tej konstrukcji jest zmniejszenie strat energii naturalnie występujących w pracy generatorów wyposażonych w przekładnie. Ale ta przewaga jest okupiona ograniczeniami prędkości. Do optymalnej pracy instalacji wymagana jest prędkość przepływu co najmniej 2 m/s.

Cechy przemysłowych turbin wiatrowych

Przemysłowe turbiny wiatrowe mają dwie zasadnicze różnice - duże rozmiary i wysoką moc. Z tych cech wynikają zarówno zalety, jak i wady tego typu elektrowni. Jeśli chodzi o projekt, wystarczy powiedzieć, że wysokość nowoczesnych przemysłowych turbin wiatrowych może osiągnąć 150-200 m, a łopaty mah - ponad 100 m. Do utrzymania tak masywnej konstrukcji wymagane są rozległe prace budowlane. Duża moc wymaga również komplikacji infrastruktury funkcjonalnej. Na przykład sterowniki turbin wiatrowych służą do sterowania procesem przetwarzania energii, zapewniając bieżące ładowanie zespołu akumulatorów. Wypełnienie elektryczne takich zakładów obejmuje również falowniki i układy zabezpieczające przed zwarciem.

Cechy przydomowych elektrowni wiatrowych

Najprostsze turbiny wiatrowe można nie tylko wykorzystać w domu, ale także własnoręcznie zmontować. Zazwyczaj są to małe jednostki o wysokości nie większej niż 10 m, zdolne do wytworzenia 0,5-5 kW. Opcja ta jest uzasadniona jako pasywne źródło zasilania dla urządzeń domowych lub niektórych grup urządzeń elektrycznych. Jednak kompaktowe turbiny wiatrowe są również masowo wykorzystywane przez duże firmy do zdolność produkcyjna podaż. Mini elektrownie wiatrowe tworzą wystarczająco wydajny i niezawodny system, który może konkurować również z pojedynczymi generatorami o dużej mocy.

Cechy morskich generatorów wiatrowych

Popularność tego typu turbin wiatrowych wynika z kilku zalet w stosunku do elektrowni lądowych. Oznacza to przede wszystkim stabilniejsze warunki pracy, gdyż strumienie wiatru nie napotykają na przeszkody w odległości od linii brzegowej. Konstrukcje morskich turbin wiatrowych można podzielić na dwie grupy - podparte i pływające. Te pierwsze są instalowane w płytkich wodach, a klasyczne wsparcie w gruncie poniżej. Zakłady pływające, odpowiednio, posiadają własną platformę pływającą, zabezpieczoną kotwicami i innymi urządzeniami morskimi.

Dopasowanie konstrukcji turbin wiatrowych do przegród budowlanych

Istnieje również bardzo obiecująca grupa turbin wiatrowych, które mogą być dosłownie wbudowane w wysokie budynki. Rozwiązanie to ma dwie zalety - korzystne warunki "odbioru" strumieni oraz krótszą drogę energetyczną, gdyż ostatecznym źródłem zasilania są zazwyczaj odbiorniki wewnętrzne budynku. W chwili obecnej integracja elektrowni wiatrowych tego typu Częściej wytwarzane za pomocą specjalnych cylindrów aerodynamicznych montowanych na dachach wieżowców. Rozwija się również koncepcja miniwirników, które można umieścić w dowolnej części wysokiego budynku. Urządzenia te są dosłownie wbudowane w ściany, a następnie podłączone do ogólnego systemu zasilania, generując niewielką, ale stabilną ilość energii.

Wniosek

W ostatnich latach w Rosji znacznie wzrosło zainteresowanie turbinami wiatrowymi. Od czasu do czasu w różnych regionach uruchamiane są duże elektrownie o mocy do 30-50 MW. Szczególnie wiatraki są przydatne dla naszego kraju, ponieważ pozwalają zaopatrywać w energię odległe obszary, gdzie nie ma możliwości zorganizowania innego rodzaju dostaw energii. Aktywnie rozwija się również segment małych elektrowni wiatrowych. W Rosji bardzo popularne stały się indywidualne systemy zasilania o mocy 1-5 kW. Deweloperzy nie rezygnują z łączenia turbin wiatrowych z silnikami spalinowymi zasady działania turbiny wiatrowe z silnikami spalinowymi. O sukcesach w tej dziedzinie świadczą w szczególności konstrukcje typu wind-diesel. Jak duże będzie zapotrzebowanie na energię wiatrową w zasadzie w Rosji w najbliższych dekadach trudno powiedzieć, ponieważ pozycja tradycyjnych źródeł energii jest nadal silna. Jednak tendencje związane z przejściem do alternatywna energia na całym świecie prawdopodobnie zachęcą rosyjski przemysł do aktywnego rozwoju podobnych.