Vetrne elektrarne: vrste, zasnove, prednosti

Vetrna energija še zdaleč ni nova veja oskrbe z energijo, vendar v sedanjem okolju postaja vse bolj obetavno področje za nadaljnji razvoj. Zaenkrat je težko govoriti o univerzalnih konceptih za tehnično izvedbo vetrnic, vendar nas uspeh posameznih inženirskih rešitev napeljuje na misel, da bo v bližnji prihodnosti obstajal tudi enoten model načrtovanja. Trenutno se po vsem svetu uporablja več vrst vetrnih turbin, od katerih ima vsaka svoje prednosti.

Splošno načelo delovanja vetrnih turbin

Tako kot večina današnjih alternativnih virov energije tudi generator vetrne turbine deluje s silo, ki jo ustvarja naravni proces. To so vetrovi, ki nastajajo zaradi neenakomernega segrevanja zemeljske površine s soncem. Skoraj vse vetrne turbine delujejo po naslednjem načelu: zračni tokovi vrtijo kolo na posebni gredi z lopaticami in tako prenašajo navor na generator ali akumulatorsko enoto. V stabilnih in dovolj močnih razmerah lahko vetrne turbine za proizvodnjo električne energije dosežejo 45-50-odstotno učinkovitost. Prav spremenljivost vetra in vetrne energije je razlog za širok razpon izvedb vetrnih turbin, ki so med drugim zasnovane za posebne podnebne razmere.

Katere so glavne prednosti vetrnih turbin??

Ocenite učinkovitost delovanja Vetrne turbine lahko primerjamo s tradicionalnimi viri energije in z generatorji, ki temeljijo na obnovljivih virih. Vendar pa so najbolj izrazite prednosti takšnih sistemov, ki dajejo upanje za njihov uspešen razvoj v prihodnosti, naslednje:

• Vetrna energija ni le obnovljiva, temveč je na voljo tudi za shranjevanje in predelavo.
• Gospodarska korist. Zaradi raznolikosti sistemov, ki delujejo z različnimi zmogljivostmi, še ni mogoče podati jasnih ocen posebnih ekonomskih učinkov. Vendar je mogoče govoriti o izjemnih rezultatih, ki jih dokazujejo posamezni projekti. Koliko na primer stane kilovat električne energije iz velike vetrne turbine na morju?? Govorimo o razponu od 2 do 12 RUR. na 1 kWh.
• Čistoča okolja. Delovanje vetrnih turbin ne povzroča škodljivih emisij v ozračje.
• Kompaktnost. Postavitev vetrne turbine, tudi v industrijski obliki, se ne more primerjati s klasično elektrarno. To je v veliki meri posledica samostojnosti in neodvisnosti teh sistemov od pomožnih služb in virov.

Generatorji z vodoravno osjo

Takšne vetrne turbine vključujejo električni generator, menjalnik, lopatice in stolp z ležiščem. Konfiguracija lopatic je izvedena tako, da se zrak steka v lijak in ustvarja navor. Pomemben pogoj za delovanje takšnih vetrnih turbin za proizvodnjo električne energije je sposobnost prilagajanja značilnostim toka (smer in moč). V ta namen so konstrukcije opremljene z mehanizmi za obračanje in nagibanje lopatic glede na površino tal. Najnaprednejši modeli uporabljajo tudi samodejno krmiljene krmilnike. Glede izvedbe vetrnega kolesa se v horizontalnih shemah pogosteje uporablja konfiguracija s tremi lopaticami. Da bi povečali zmogljivost generatorjev, inženirji običajno povečajo velikost funkcionalno sprejemnega dela, kar na primer pojasnjuje tudi sedanji trend prehoda od plastike in lahkih kovin k dragim kompozitnim delom pri izdelavi struktur.

Generatorji z navpično osjo

Vertikalne vetrne turbine imajo odločilno prednost pred horizontalnimi turbinami, saj niso potrebne dodatne naprave za nadzor in spremljanje. To pomeni, da se vetrna turbina z navpično osjo med delovanjem ne prilagaja gibanju tokov. Na spletni strani funkcija interakcije z zračnimi masami hkrati zmanjša obremenitev lopatic vetrne turbine in žiroskopske obremenitve. Generator in menjalnik, ki tvorita motor elektrarne, sta lahko nameščena ob vznožju konstrukcije stolpa brez nevarnosti poškodbe ali okvare. Toda zakaj navpične naprave ob opisanih prednostih niso popolnoma izpodrinile vodoravnih vetrnih turbin?? Na žalost imajo takšni modeli precejšnje pomanjkljivosti. Ker vetrnica ni usmerjena proti toku vetra in vedno deluje v ozkem območju zajemanja energije, je moč generatorja logično zmanjšana. Da bi ohranili zadostno zmogljivost vertikalnih vetrnih turbin, je zato potrebna njihova množična uporaba s pokrivanjem velikih območij, kar pa ni vedno mogoče.

Oblikovanje na podlagi Darierjevega rotorja

Vetrni generatorji z vertikalno postavitvijo rotorja temeljijo na Savoniusovi ali Darrierjevi shemi rotorja. Vendar ima tudi ta skupina svoje različice in sodobne modifikacije. Najobetavnejši nedavni razvoj je Gorlovova spiralna turbina, ki je bila izdelana leta 2001. Gre za nekakšno nadaljevanje koncepta Darierjevega rotorja, vendar v bolj optimizirani obliki. Spiralno oblikovane navpične lopatice proizvajajo energijo iz zračnega in vodnega toka z minimalno aktivnostjo. Danes se takšni generatorji uporabljajo na specializiranih vetrnih elektrarnah in kot del hidroelektrarn.

Vetrne turbine z generatorji električne energije

Prav tako je nekakšna nadgradnja klasičnih zasnov vetrnih turbin, vendar prilagojena današnjim visokotehnološkim pogojem delovanja. Modifikacije s pretočnim ojačevalnikom se razlikujejo po tem, da so na voljo eno ali več korit, ki so zasnovana tako, da koncentrirajo zračni tok. Aerodinamični stožčasti elementi v obliki korit zbirajo tokove na veliki površini, jih usmerjajo v eno smerno točko in tako povečujejo hitrost sistema lopatic. Izziv pri vetrnih turbinah z menjalniki je, da potrebujejo dodatno skupino elementov. Poleg tega lahko ti sistemi dosežejo znatno povečanje zmogljivosti le s priključitvijo pomožnih virov energije, kar pa ni vedno ekonomsko upravičeno.

Brezkrmne vetrne turbine

V okviru koncepta strukturne optimizacije je na voljo tudi različica vetrne turbine brez zobnikov. Namesto tega se uporablja obročast kanal z notranjo kovinsko palico. Ta obroč je nameščen okoli rotorskega obroča. Tudi tu je skupina magnetov, ki delujejo na kovinsko palico in s tem prispevajo k ustvarjanju toka. Brezkrmne vetrne turbine s premerom rotorja približno 200 cm lahko proizvedejo do 1.500 kWh na leto. Glavna prednost takšne zasnove je zmanjšanje izgub energije, ki se naravno pojavljajo pri delu generatorjev, ki jih zagotavljajo menjalniki. Vendar je ta prednost plačana z omejitvami hitrosti. Za optimalno delovanje sistema je potrebna hitrost pretoka vsaj 2 m/s.

Značilnosti industrijskih vetrnih turbin

Industrijske vetrne turbine imajo dve temeljni razliki - veliko velikost in visoko izhodno moč. Iz teh značilnosti izhajajo tako prednosti kot slabosti te vrste postaje. Kar zadeva zasnovo, naj povemo, da so sodobne industrijske vetrne turbine lahko visoke od 150 do 200 m in imajo lopatice visoke več kot 100 m. Da bi tako masivna struktura zdržala, se pri gradnji temeljev izvajajo obsežna gradbena dela. Velika moč zahteva tudi večjo kompleksnost funkcionalne infrastrukture. Na primer, krmilniki vetrne turbine se uporabljajo za nadzor procesa pretvorbe energije, pri čemer se upošteva trenutno napolnjenost baterijskega sklopa. Poleg tega električna vsebina teh naprav vključuje pretvornike in sistem za zaščito pred kratkim stikom.

Značilnosti komercialnih vetrnih turbin

Najpreprostejše vetrne turbine je mogoče uporabljati ne le doma, temveč jih je mogoče tudi ročno sestaviti. Običajno so to majhne enote z višino največ 10 m, ki lahko delujejo z zmogljivostjo od 0,5 do 5 kW. Ta možnost je upravičena kot pasivni vir energije za gospodinjske aparate ali posamezne skupine električnih naprav. Vendar pa kompaktne vetrne turbine v velikem številu uporabljajo tudi velika podjetja za proizvodna zmogljivost dobava. Mini vetrne elektrarne tvorijo dovolj produktiven in zanesljiv sistem, ki lahko konkurira tudi zmogljivim posameznim generatorjem.

Značilnosti vetrnih turbin na morju

Priljubljenost te vrste vetrnih turbin je posledica več prednosti v primerjavi z elektrarnami na kopnem. Gre predvsem za stabilnejše pogoje delovanja, saj vetrni tokovi v oddaljenosti od obale ne naletijo na ovire. Zasnove vetrnih elektrarn na morju lahko razdelimo v dve skupini - zasidrane in plavajoče. Prvi se namestijo v plitvo vodo s klasično oporo v tleh pod vodo. Plavajoče elektrarne imajo lastno plavajočo ploščad, ki je pritrjena s sidrišči in drugimi morskimi napravami.

Združevanje konstrukcij generatorjev vetrne energije s stavbnimi lupinami

Obstaja tudi zelo obetavna skupina vetrnih turbin, ki jih je mogoče dobesedno vgraditi v visoke stavbe. Ta rešitev ima dve prednosti - ugodne pogoje za "sprejemanje" tokov in skrajšano pot dobave energije, saj so končni vir napajanja običajno porabniki znotraj stavbe. Trenutno je vključevanje vetrnih elektrarn te vrste pogosteje s posebnimi aerodinamičnimi valji, pritrjenimi na strehe nebotičnikov. Razvija se tudi koncept mini propelerjev, ki jih je mogoče namestiti na katerem koli delu gradbišča visoke stavbe. Naprave so dobesedno vgrajene v stene, nato pa so priključene na splošni sistem za oskrbo z električno energijo in proizvajajo majhno, a stalno količino energije.

Zaključek

Zanimanje za vetrne turbine se je v zadnjih letih v Rusiji močno povečalo. V različnih regijah občasno začnejo obratovati velike elektrarne z močjo do 30-50 MW. Vetrne turbine so v naši državi še posebej koristne, saj omogočajo oskrbo z energijo na odročnih območjih, kjer ni možna nobena druga oblika oskrbe z energijo. Aktivno se razvija tudi segment malih vetrnih elektrarn. V Rusiji so postali zelo priljubljeni individualni energetski sistemi z zmogljivostjo od 1 do 5 kW. Razvijalci pa se niso odrekli združevanju načela delovanja vetrnih turbin z motorji z notranjim izgorevanjem. Na tem področju so uspešne zlasti vetrne elektrarne. Težko je reči, kakšno bo povpraševanje po vetrni energiji v Rusiji v naslednjih nekaj desetletjih, saj je položaj tradicionalnih virov energije še vedno močan. Toda trendi v smeri alternativna energija po vsem svetu bodo verjetno spodbudili rusko industrijo, da bo dejavno raziskovala tudi takšna področja.