Vjetroelektrane: vrste, dizajn, prednosti

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Energija vjetra je daleko od nove grane snabdijevanja energijom, međutim, u sadašnjim uslovima, ona postaje sve izraženija obilježja perspektivnog pravca daljeg 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 jedinstven jedinstveni strukturni model. Istovremeno, u svijetu se koristi nekoliko tipova vjetroturbina, od kojih svaka ima svoje prednosti.

Opšti princip rada vjetroturbina

Kao većina modernih alternativnih izvora energije, vjetroturbina radi zahvaljujući sili koja djeluje kao rezultat prirodnog procesa. Riječ je o strujanjima vjetra koji nastaju zbog neravnomjernog zagrijavanjapovršine zemlje pod suncem. Gotovo sve vjetroturbine rade po sljedećem principu: tokovi zraka rotiraju kotač na posebnoj osovini s lopaticama, prenoseći na taj način obrtni moment na generator ili bateriju. U uslovima stabilnosti i dovoljne sile kretanja vazduha, vetrenjače za proizvodnju električne energije mogu da obezbede efikasnost od 45-50%. Upravo je varijabilnost vjetra i njegove jačine ono što određuje široku paletu dizajna vjetroturbina, koje se također izračunavaju na osnovu specifičnih klimatskih uslova upotrebe.

Koje su glavne prednosti vjetroturbina?

Procijeniti efikasnost vjetroturbina možete kako u poređenju sa tradicionalnim izvorima energije, tako i na pozadini generatora koji rade na obnovljivim besplatnim resursima. Najizraženije prednosti ovakvih sistema, koje daju nadu u njihov uspješan razvoj u budućnosti, su sljedeći faktori:

• Energija vjetra sama po sebi nije samo obnovljiva, već je dostupna i za akumulaciju i obradu.
• Ekonomska korist. Nedvosmislene ocjene u vezi sa konkretnim ekonomskim pokazateljima još uvijek ne mogu biti posljedica raznolikosti sistema koji rade s različitim performansama. Ali možemo govoriti o izvanrednim rezultatima pojedinačnih 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 vjetroagregata nije štetanemisije zagađivača zraka.
• Compact. Ugradnja vjetroturbine, čak ni u industrijskom formatu, ne može se porediti sa tradicionalnim elektranama. Ovo je uglavnom zbog autonomije i nezavisnosti takvih sistema od pomoćnih komunikacija i resursa.

Horizontalni osni generatori

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

Generatori vertikalne osi

Ovakvi generatori imaju značajnu prednost u odnosu na horizontalne strukture,što se sastoji u odsustvu potrebe za dodatnim sredstvima za praćenje i kontrolu instalacije. Odnosno, u procesu rada, vjetrenjača s okomitom osom se ni na koji način ne prilagođava kretanju tokova. Ova karakteristika interakcije sa vazdušnim masama istovremeno smanjuje napon u lopaticama vetrogeneratora i smanjuje žiroskopska opterećenja. Generator sa zupčanikom, koji čini motor postrojenja, može se postaviti u podnožju tornja konstrukcije 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 točak 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 upotreba na velikim površinama, što nije uvijek moguće.

Dizajni bazirani na Darrieus rotoru

Vjetrogeneratori sa vertikalnim impelerom su bazirani na Savonius ili Darrieus dizajnu rotora. Ali ova grupa također ima svoje varijacije i moderne modifikacije. Najperspektivniji noviji razvoj je Gorlov helikoidna turbina, stvorena 2001. To je svojevrsni nastavak Darrieus koncepta rotora, ali u optimiziranijem obliku. Spiralne vertikalne lopatice omogućavaju generiranje energije iz protoka vode i zraka uz minimalnu aktivnost. Danas ovi generatorikoriste se i u specijalizovanim vetroelektranama i kao deo hidroelektrana.

Generatori vjetra sa pojačivačima fluksa

Također, na neki način, nastavak klasičnih dizajna vjetrenjača, ali prilagođenih trenutnim visokotehnološkim uvjetima rada. Modifikacije s pojačivačima protoka razlikuju se po prisutnosti jednog ili više oluka, koji su dizajnirani da koncentrišu protok zraka. Aerodinamički konusni elementi u obliku istih tih oluka prikupljaju tokove na velikoj površini, orijentišući ih u jednu tačku smjera i na taj način povećavajući brzinu lopatičnog sistema. Poteškoća korištenja vjetroturbina sa pojačivačima fluksa je u tome što zahtijevaju upotrebu dodatne grupe elemenata. Štaviše, značajno povećanje produktivnosti u ovakvim sistemima moguće je postići samo povezivanjem pomoćnih izvora energije, što nije uvijek ekonomski opravdano.

Vjetroturbine bez zupčanika

U skladu sa idejom strukturne optimizacije, pojavila se i varijanta vjetroelektrane bez mjenjača. Umjesto toga, koristi se prstenasti kanal, opremljen unutarnjom metalnom šipkom. Ovaj prsten se postavlja oko oboda rotora. Ovdje se nalazi i grupa magneta, koji stupaju u interakciju s metalnom šipkom, čime doprinose stvaranju struje. Performanse vjetroturbina bez mjenjača s prečnikom rotora od oko 200 cm mogu doseći 1500 kWhu godini. Osnovna prednost ovog dizajna je smanjenje gubitaka energije koji se prirodno javljaju u radu generatora opremljenih reduktorima. Ali ovu prednost morate platiti ograničenjima brzine. Da bi jedinica ušla u optimalan radni tok potrebna je brzina protoka od najmanje 2 m/s.

Karakteristike industrijskih vjetroturbina

Industrijske vjetrenjače imaju dvije fundamentalne razlike - veliku veličinu i veliku izlaznu snagu. Iz ovih karakteristika proizilaze 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 kontrolu procesa konverzije energije koriste se kontroleri vjetrogeneratora koji osiguravaju da se u obzir uzme trenutna napunjenost baterije. Osim toga, električno punjenje takvih instalacija uključuje pretvarače i sisteme zaštite od kratkog spoja.

Karakteristike kućnih vjetroturbina

Najjednostavnije vjetrenjače ne mogu se koristiti samo kod kuće, već se mogu sastaviti i ručno. U pravilu su to male instalacije visine ne veće od 10 m, sposobne za rad na snazi od 0,5-5 kW. Kao pasivni izvor energije za kućne aparateili pojedinačne grupe električnih uređaja, ova opcija se opravdava. Međutim, kompaktne vjetroturbine danas u velikom broju koriste velike kompanije za napajanje proizvodnih pogona. Na bazi mini farmi vjetrenjača formiraju se dovoljno produktivni i pouzdani sistemi koji mogu konkurirati pojedinačnim generatorima velike snage.

Karakteristike vjetroturbina na moru

Popularnost ove vrste vjetrenjača je zbog nekoliko prednosti u odnosu na stanice koje se nalaze na kopnu. Ovdje se uglavnom radi o stabilnijim uslovima rada, jer tokovi vjetra nisu ometani dalje od obale. Istovremeno, konstrukcije vjetroturbina na moru podijeljene su u dvije grupe - noseće i plutajuće. Prvi se ugrađuju u plitku vodu sa klasičnim osloncem u tlo pod vodom. Plutajuće stanice, odnosno, imaju svoju plutajuću platformu sa fiksiranjem pomoću sidara i drugih pomorskih uređaja.

Kombinacija konstrukcija vjetroturbina sa građevinskim okvirima

Postoji i vrlo obećavajuća grupa vjetrenjača koje su doslovno integrirane u trupove visokih zgrada. Ovo rješenje ima dvije prednosti - povoljne uslove za "prihvat" tokova i smanjenje putanje isporuke električne energije, budući da su krajnji izvor napajanja najčešće potrošači unutar zgrade. Trenutno se integracija vjetroturbina ovog tipa češće vrši korištenjemspecijalni aerodinamički cilindri koji se postavljaju na krovove nebodera. Razvija se i koncept mini propelera, koji se mogu postaviti u bilo koji dio visokog gradilišta. Uređaji su bukvalno integrisani u zidove, nakon čega se spajaju na opšti sistem napajanja, dajući malu ali stabilnu količinu energije.

Zaključak

Poslednjih godina, interesovanje za vetroturbine je značajno poraslo u Rusiji. Velike stanice kapaciteta do 30-50 MW periodično se puštaju u rad u različitim regionima. Za našu zemlju vetrenjače su posebno korisne jer nam omogućavaju da snabdevamo energijom udaljene krajeve gde trenutno ne postoji mogućnost organizovanja drugih načina snabdevanja energijom. Aktivno se razvija i segment malih vjetroelektrana. U Rusiji su individualni energetski sistemi kapaciteta 1-5 kW postali veoma popularni. Istovremeno, programeri ne odbijaju kombinirati principe rada vjetrenjača s motorima s unutarnjim sagorijevanjem. Uspjesi u ovom smjeru pokazuju, posebno, dizajn vjetro-dizela. Još je teško reći koliko će energija vjetra biti tražena u Rusiji u narednim decenijama, budući da su pozicije tradicionalnih izvora energije i dalje jake. Ali trendovi u tranziciji na alternativnu energiju širom svijeta vjerovatno će potaknuti rusku industriju da aktivno istražuje takva područja.