Elektrownie wiatrowe: rodzaje, konstrukcje, zalety

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Energetyka wiatrowa jest daleka od nowej gałęzi zaopatrzenia w energię, jednak w obecnych warunkach staje się coraz wyraźniejszymi cechami obiecującego kierunku dalszego rozwoju. Wciąż trudno mówić o uniwersalnych koncepcjach technicznych realizacji generatorów wiatrowych, ale postęp w stosowaniu poszczególnych rozwiązań inżynierskich sugeruje, że w niedalekiej przyszłości pojawi się jeden ujednolicony model konstrukcyjny. Jednocześnie na świecie wykorzystywanych jest kilka rodzajów turbin wiatrowych, z których każda ma swoje mocne strony.

Ogólna zasada działania turbin wiatrowych

Podobnie jak większość nowoczesnych alternatywnych źródeł energii, turbina wiatrowa działa dzięki sile działającej w wyniku naturalnego procesu. Mowa o przepływach wiatru wynikających z nierównomiernego ogrzewaniapowierzchni ziemi przez słońce. Prawie wszystkie turbiny wiatrowe działają na następującej zasadzie: strumienie powietrza obracają koło na specjalnym wale z łopatkami, przenosząc w ten sposób moment obrotowy na generator lub akumulator. W warunkach stabilności i wystarczającej siły ruchu powietrza wiatraki do wytwarzania energii elektrycznej są w stanie zapewnić sprawność 45-50%. To właśnie zmienność wiatru i jego siła decyduje o szerokiej gamie projektów turbin wiatrowych, które są również obliczane w oparciu o specyficzne warunki klimatyczne użytkowania.

Jakie są główne zalety turbin wiatrowych?

Ocenę sprawności turbin wiatrowych można przeprowadzić zarówno w porównaniu z tradycyjnymi źródłami energii, jak i na tle generatorów pracujących na wolnych zasobach odnawialnych. Najważniejszymi zaletami takich systemów, dającymi nadzieję na ich pomyślny rozwój w przyszłości, są następujące czynniki:

• Sama energia wiatrowa jest nie tylko odnawialna, ale także dostępna do akumulacji i przetwarzania.
• Korzyści ekonomiczne. Jednoznaczne oceny dotyczące konkretnych wskaźników ekonomicznych nie mogą jeszcze wynikać z różnorodności systemów działających z różną wydajnością. Ale możemy mówić o wybitnych wynikach poszczególnych projektów. Na przykład, ile kosztuje kilowat energii elektrycznej z dużego wiatraka na morzu? Możemy mówić o przedziale 2-12 rubli. za 1 kWh.
• Przyjazny dla środowiska. Praca turbin wiatrowych nie przewiduje szkodliwychemisje zanieczyszczeń powietrza.
• Kompaktowy. Instalacji turbiny wiatrowej, nawet w formacie przemysłowym, nie można porównać z tradycyjnymi elektrowniami. Wynika to w dużej mierze z autonomii i niezależności takich systemów od komunikacji i zasobów pomocniczych.

Generatory osi poziomej

Schemat konstrukcyjny takich wiatraków przewiduje obecność generatora elektrycznego, skrzyni biegów, łopat i wieży z ramą. Konfiguracja łopatek realizowana jest w taki sposób, że powietrze wpływa do lejka, co powoduje powstanie momentu skręcającego. Ważnym warunkiem działania takich wiatraków do wytwarzania energii elektrycznej jest możliwość dostosowania się do charakterystyki ruchu przepływów (kierunku i siły). W tym celu konstrukcje wyposażone są w mechanizmy do obracania i przechylania łopatek w stosunku do powierzchni ziemi. W najbardziej zaawansowanych modelach stosowane są również sterowniki z automatycznym sterowaniem. Jeśli chodzi o wykonanie koła wiatrowego, konfiguracja z trzema łopatami jest częściej stosowana w schematach poziomych. Ponadto, w celu zwiększenia wydajności generatorów, inżynierowie mają tendencję do zwiększania rozmiarów funkcjonalnej części odbiorczej, co np. tłumaczy obecny trend przechodzenia od tworzyw sztucznych i metali lekkich do kosztownych elementów kompozytowych w produkcji konstrukcji.

Generatory osi pionowej

Takie generatory mają znaczną przewagę nad konstrukcjami poziomymi,co polega na braku konieczności stosowania dodatkowych środków monitorowania i sterowania instalacją. Oznacza to, że w trakcie eksploatacji wiatrak o pionowej osi nie dostosowuje się w żaden sposób do ruchu przepływów. Ta cecha oddziaływania z masami powietrza jednocześnie zmniejsza napięcie w łopatach generatora wiatrowego i zmniejsza obciążenia żyroskopowe. Generator przekładniowy, który stanowi silnik instalacji, może być umieszczony u podstawy wieży konstrukcji bez ryzyka uszkodzenia lub awarii. Ale dlaczego przy opisanych zaletach instalacje pionowe nie zastąpiły całkowicie poziomych wiatraków? Niestety modele te mają też spore wady. Ponieważ koło wiatrowe nie jest kierowane strumieniami wiatru i zawsze działa w wąskim zakresie zakresów przechwytywania energii, wydajność generatora jest logicznie zmniejszona. Dlatego też, aby utrzymać wystarczającą moc wiatraków pionowych, konieczne jest ich masowe wykorzystanie na dużych powierzchniach, co nie zawsze jest możliwe.

Projekty oparte na rotorze Darrieus

Generatory turbin wiatrowych z pionowym wirnikiem są oparte na konstrukcji wirnika Savonius lub Darrieus. Ale ta grupa ma również swoje własne wariacje i nowoczesne modyfikacje. Najbardziej obiecującym najnowszym osiągnięciem jest turbina helikoidalna Gorłowa, stworzona w 2001 roku. Jest to swego rodzaju kontynuacja koncepcji wirnika Darrieusa, ale w bardziej zoptymalizowanej formie. Spiralne pionowe łopatki umożliwiają generowanie energii z przepływów wody i powietrza przy minimalnej aktywności. Dziś te generatorysą wykorzystywane zarówno w specjalistycznych farmach wiatrowych, jak i jako część elektrowni wodnych.

Generatory wiatrowe ze wzmacniaczami strumienia

Również w pewnym sensie kontynuacja klasycznych projektów wiatraków, ale dostosowana do obecnych warunków pracy high-tech. Modyfikacje ze wzmacniaczami przepływu wyróżniają się obecnością jednej lub więcej rynien, które mają za zadanie koncentrować strumienie powietrza. Aerodynamiczne elementy w kształcie stożka w postaci tych samych rynien zbierają przepływy na dużym obszarze, orientując je w jednym punkcie kierunkowym, a tym samym zwiększając prędkość systemu lameli. Trudność w stosowaniu turbin wiatrowych ze wzmacniaczami strumienia polega na tym, że wymagają one zastosowania dodatkowej grupy pierwiastków. Co więcej, możliwe jest osiągnięcie znacznego wzrostu wydajności w takich systemach jedynie poprzez podłączenie pomocniczych źródeł energii, co nie zawsze jest uzasadnione ekonomicznie.

Turbiny wiatrowe bez przekładni

Zgodnie z ideą optymalizacji strukturalnej pojawił się również wariant elektrowni wiatrowej bez skrzyni biegów. Zamiast tego zastosowano kanał pierścieniowy wyposażony w wewnętrzny metalowy pręt. Ten pierścień jest zainstalowany wokół obręczy wirnika. Znajduje się tu również grupa magnesów, które współdziałają z metalowym prętem, przyczyniając się w ten sposób do generowania prądu. Wydajność turbin wiatrowych bez skrzyni biegów o średnicy wirnika około 200 cm może osiągnąć 1500 kWhW roku. Główną zaletą tej konstrukcji jest zmniejszenie strat energii występujących naturalnie podczas pracy generatorów wyposażonych w przekładnie. Ale za tę przewagę trzeba zapłacić ograniczeniami prędkości. Aby urządzenie mogło wejść w optymalny przepływ pracy, wymagana jest prędkość przepływu co najmniej 2 m/s.

Cechy przemysłowych turbin wiatrowych

Przemysłowe wiatraki mają dwie zasadnicze różnice - duże rozmiary i wysoką moc wyjściową. Z tych cech wynikają zarówno zalety, jak i wady tego typu stacji. Jeśli chodzi o konstrukcję, to wystarczy powiedzieć, że wysokość nowoczesnych wiatraków przemysłowych może sięgać 150-200 m, a rozpiętość łopat może przekraczać 100 m. Wysoka moc wymaga również złożoności infrastruktury funkcjonalnej. Do sterowania procesem konwersji energii wykorzystywane są więc sterowniki generatorów wiatrowych, które zapewniają uwzględnienie aktualnego stanu naładowania pakietu akumulatorów. Ponadto w skład wyposażenia elektrycznego takich instalacji wchodzą falowniki oraz systemy przeciwzwarciowe.

Cechy domowych turbin wiatrowych

Najprostsze wiatraki mogą być nie tylko używane w domu, ale także montowane ręcznie. Z reguły są to instalacje małogabarytowe o wysokości nie większej niż 10 m, zdolne do pracy z mocą 0,5-5 kW. Jako pasywne źródło energii dla sprzętu AGDlub poszczególne grupy urządzeń elektrycznych, ta opcja uzasadnia się. Jednak kompaktowe turbiny wiatrowe są obecnie używane w dużych ilościach przez duże firmy do zasilania zakładów produkcyjnych. Na bazie mini-farm wiatrakowych powstają wystarczająco wydajne i niezawodne systemy, które mogą konkurować z pojedynczymi generatorami dużej mocy.

Cechy morskich turbin wiatrowych

Popularność tego typu wiatraków wynika z kilku zalet w stosunku do stacji znajdujących się na lądzie. Chodzi przede wszystkim o stabilniejsze warunki pracy, ponieważ przepływy wiatru nie są blokowane z dala od linii brzegowej. Jednocześnie konstrukcje morskich turbin wiatrowych dzielą się na dwie grupy – wspierającą i pływającą. Pierwsze montuje się na płytkiej wodzie z klasycznym podparciem w ziemi pod wodą. Stacje pływające, odpowiednio, mają własną pływającą platformę z mocowaniem za pomocą kotwic i innych urządzeń morskich.

Połączenie konstrukcji turbin wiatrowych z ramami budynków

Istnieje również bardzo obiecująca grupa wiatraków, które są dosłownie zintegrowane z kadłubami wieżowców. Takie rozwiązanie ma dwie zalety – korzystne warunki do „odbioru” przepływów oraz skrócenie drogi dostarczania energii elektrycznej, ponieważ ostatecznym źródłem zasilania są zwykle odbiorcy wewnątrz budynku. W chwili obecnej integracja turbin wiatrowych tego typu odbywa się coraz częściej za pomocąspecjalne cylindry aerodynamiczne montowane na dachach wieżowców. Opracowywana jest również koncepcja miniśmigieł, które można umieścić w dowolnym miejscu na wysokim placu budowy. Urządzenia są dosłownie zintegrowane ze ścianami, po czym są podłączane do ogólnego systemu zasilania, dając niewielką, ale stabilną ilość energii.

Wniosek

W ostatnich latach w Rosji znacznie wzrosło zainteresowanie turbinami wiatrowymi. W różnych regionach cyklicznie uruchamiane są duże stacje o mocy do 30-50 MW. Dla naszego kraju wiatraki są szczególnie przydatne, ponieważ pozwalają nam dostarczać energię do odległych regionów, gdzie w tej chwili nie ma możliwości zorganizowania innych sposobów zaopatrzenia w energię. Aktywnie rozwija się również segment małych elektrowni wiatrowych. W Rosji bardzo popularne stały się indywidualne systemy zasilania o mocy 1-5 kW. Jednocześnie deweloperzy nie odmawiają łączenia zasad działania wiatraków z silnikami spalinowymi. Sukcesy w tym kierunku pokazują w szczególności projekty napędzane silnikiem diesla. Nadal trudno powiedzieć, ile energii wiatrowej będzie potrzebne w Rosji w nadchodzących dziesięcioleciach, ponieważ pozycja tradycyjnych źródeł energii jest nadal silna. Jednak trendy w przejściu na energię alternatywną na całym świecie prawdopodobnie skłonią rosyjski przemysł do aktywnego badania takich obszarów.