Větrný generátor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 14. června 2022; kontroly vyžadují 6 úprav .

Větrný generátor (větrná elektrárna nebo zkráceně WPP, větrný mlýn ) 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 domácí (pro soukromé použití).

Průmyslové instaluje stát nebo velké energetické korporace. Zpravidla jsou spojeny v síti, výsledkem je větrná farma . Dříve platilo, že jsou zcela ekologické, čímž se liší od tradičních. Lopatky větrných turbín jsou však vyrobeny z polymerního kompozitu , jehož opětovné použití a recyklace není nákladově efektivní. Nyní je otevřená otázka zpracování lopatek.

Jediným důležitým požadavkem na WPP je vysoká průměrná roční hladina větru. Výkon moderních větrných turbín dosahuje 8 MW.

Výkon větrného generátoru závisí na síle proudění vzduchu ( ), určeném rychlostí větru a zametací plochou ,

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

Typy větrných turbín

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

Existují dva hlavní typy větrných turbín:

Existují také bubnové a rotační větrné turbíny [2] .

Větrné generátory obvykle používají tři lopatky k dosažení kompromisu mezi velikostí točivého momentu (zvyšuje se s počtem lopatek) a rychlostí otáčení (s počtem lopatek klesá) [3] .

Výhody a nevýhody různých typů větrných turbín

Betzův zákon předpovídá, že faktor využití větrné energie (WUCF) horizontálních, vrtulových a vertikálních instalací je omezen na konstantu 0,593. Dosud dosahovaný koeficient využití větrné energie u horizontálních vrtulových větrných turbín je 0,4. V současné době je tento koeficient pro větrné turbíny (větrné turbíny) GRTs-Vertical 0,38. Experimentální studie ruských instalací s vertikální osou ukázaly, že dosažení hodnoty 0,4-0,45 je velmi reálný úkol. Koeficienty využití větrné energie větrných turbín s horizontální osou a vertikální osou jsou tedy blízké [4] .

Zařízení

WPP se skládá z:

  1. Větrné turbíny namontované na stožáru se vzpěrami a roztočené rotorem nebo lopatkami ;
  2. elektrický generátor ;

Vyrobená elektřina jde do:

Průmyslová větrná turbína

Skládá se z následujících částí:

  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. Lopatky (obvykle tři, protože rotory se dvěma lopatkami jsou vystaveny většímu namáhání, když je dvojice lopatek svislá, a více než tři lopatky vytvářejí nadměrný odpor vzduchu)
  12. Systém změny úhlu čepele
  13. Kryt
Nízkoenergetický model větrného generátoru [5]

Skládá se z následujících částí:

  1. Malý DC motor (3-12V) (používá se jako generátor)
  2. Silikonová usměrňovací dioda
  3. Elektrolytický kondenzátor (1000uF 6V)

Účinnost

Zákon zachování hmoty vyžaduje, aby množství vzduchu vstupujícího do turbíny a z ní vystupující bylo stejné. Podle toho Betzův zákon udává maximální dosažitelnou extrakci větrné energie větrnou turbínou jako 16/27 (59,3 %) rychlosti, kterou kinetická energie vzduchu dosáhne turbíny [6] .

Maximální teoretický výkon větrného stroje se tedy rovná 16/27 kinetické energie vzduchu, která dosáhne efektivní plochy disku stroje za jednotku času. Při efektivní ploše disku a rychlosti větru je maximální teoretický výkon

,

kde ρ je hustota vzduchu .

Tření lopatek o vzduch a odpor jsou hlavní faktory, které určují účinnost přenosu energie z větru do rotoru a následně i cenu energie generované větrným generátorem [7] . Mezi další faktory ztráty účinnosti patří ztráty v převodovce , generátoru a měniči. Jak 2001, turbíny propojené na komerční pomůcky produkovaly mezitím 75 % a 80 % jejich limitu výkonu, jak určený Betz zákonem [8] [9] u jmenovité provozní rychlosti .

Účinnost se může časem mírně snížit v důsledku prachu, povrchových defektů nožů a nahromaděného hmyzu, který snižuje zdvih radlice. Analýza 3128 větrných turbín starších 10 let v Dánsku ukázala, že účinnost poloviny turbín se nesnížila, zatímco u druhé poloviny se snížila v průměru o 1,2 % ročně [10] .

Obecně platí, že stabilnější a konstantnější povětrnostní podmínky (zejména rychlost větru) vedou k průměrnému zvýšení účinnosti o 15 % ve srovnání s nestabilním počasím [11] .

Bylo zjištěno, že různé materiály mají různé účinky na účinnost větrných turbín. V experimentu na Ege University byly zkonstruovány tři třílisté větrné turbíny o průměru 1 m s různými materiály lopatek: sklolaminát a uhlíková vlákna s epoxidovým pojivem, uhlíková vlákna, sklo-polystyren. Testy prokázaly, že materiály s vyšší celkovou hmotností mají větší třecí moment a tedy nižší účiník [12] .

Problémy provozu průmyslových větrných turbín

Průmyslová větrná turbína je postavena na připraveném místě za 7-10 dní. Získání regulačních povolení k výstavbě větrné farmy může trvat rok i déle. [13] Kromě toho je pro zdůvodnění stavby větrné turbíny nebo větrného parku nutné provádět dlouhodobý (minimálně roční) větrný výzkum v oblasti stavby. Tyto aktivity výrazně prodlužují životnost projektů větrné energetiky.

Pro stavbu je nutná cesta na staveniště, místo pro umístění uzlů při instalaci, těžká zvedací zařízení s dosahem více než 50 metrů, protože gondoly jsou instalovány ve výšce asi 50 metrů.

Při provozu průmyslových větrných turbín vznikají různé problémy:

Slibný vývoj

Norská společnost StatoilHydro a německý koncern Siemens AG vyvinuly plovoucí větrné turbíny pro hlubokomořské stanice. StatoilHydro postavil 2,3 MW demo v červnu 2009 [14] [15] . Turbína s názvem Hywind, vyvinutá společností Siemens Renewable Energy [15] , váží 5300 tun a je vysoká 65 metrů. Nachází se 10 kilometrů od ostrova Karmoy, nedaleko jihozápadního pobřeží Norska. Do budoucna plánuje společnost zvýšit výkon turbíny na 5 MW a průměr rotoru na 120 metrů. Podobný vývoj probíhá v USA .

Magenn vyvinul speciální větrem rotující balón s nainstalovaným generátorem, který sám stoupá do výšky 120-300 metrů. Není potřeba stavět věž a zabírat půdu. Zařízení pracuje v rozsahu rychlostí větru od 1 m/s do 28 m/s. Zařízení lze přemístit do větrných oblastí nebo rychle nainstalovat v oblastech postižených katastrofou.

Windrotor nabízí výkonnou konstrukci rotoru turbíny, která může výrazně zvýšit jeho velikost a účinnost větrné energie. Očekává se, že tato konstrukce bude novou generací rotorů větrných turbín.

V květnu 2009 uvedla společnost Advanced Tower Systems (ATS) v Německu do provozu první větrnou turbínu instalovanou 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 větrného generátoru (včetně lopatek) je 180 metrů. Zvětšením výšky věže se zvýší výroba elektřiny až o 20 % [16] .

Na konci roku 2010 španělské společnosti Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros a DIgSILENT Ibérica vytvořily skupinu, která měla společně vyvinout 15,0 MW větrnou turbínu [17] .

Evropská unie vytvořila výzkumný projekt UpWind s cílem vyvinout pobřežní větrnou turbínu o výkonu 20 MW [18] .

V roce 2013 japonská společnost Mitsui Ocean Development & Engineering Company vyvinula hybridní instalaci: větrná turbína a turbína poháněná přílivovou energií jsou instalovány na jedné nápravě plovoucí ve vodě [19] .

Hlavní výrobci

Tabulka 10 největších výrobců průmyslových větrných turbín v roce 2010 [20] , MW:

Ne. název Země Objem výroby, MW.
jeden Vestas  Dánsko 5 842
2 Sinovel  Čína 4 386
3 GE Energy  USA 3 796
čtyři Goldwind  Čína 3 740
5 Enercon  Německo 2846
6 Suzlon Energy  Indie 2736
7 Dongfang Electric  Čína 2624
osm gamesa  Španělsko 2587
9 Siemens Vítr  Německo 2325
deset United Power  Čína 1600

V roce 2014 dosáhla celková kapacita výrobců turbín 71 GW [21] .

Ceny

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

V srpnu 2010 byla průměrná cena jedné MW větrné turbíny 1,04 milionu eur [22] .

V roce 2021 se náklady zvýšily na 4 miliony eur (Německo, stavba u města Flöte).

Malé větrné turbíny

Malé větrné elektrárny zahrnují zařízení s výkonem menším než 100 kW. Zařízení s výkonem menším než 1 kW se označují 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. Guyed stožár
  4. Regulátor nabíjení baterie
  5. Baterie (obvykle bezúdržbové 24V)
  6. Měnič (= 24V -> ~ 220V 50Hz) připojený k síti

Malé větrné turbíny mohou fungovat autonomně, tedy bez připojení ke společné elektrické síti .

Některé moderní spotřebitelské UPS mají stejnosměrný vstupní modul speciálně pro solární nebo větrnou energii. Větrný generátor tak může být součástí systému domácího napájení a snižuje spotřebu energie ze sítě.

Klady a zápory vykořisťování

V současné době, i přes růst cen energií , náklady na elektřinu pro většinu průmyslových odvětví nepředstavují na pozadí ostatních nákladů žádnou významnou částku. . Spolehlivost a stabilita napájení zůstává pro spotřebitele klíčová .

Hlavní faktory vedoucí ke zvýšení nákladů na energii pro použití v průmyslu, získanou z větrných turbín, jsou:

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

V přítomnosti společné elektrické sítě a moderních UPS s dvojitou konverzí však tyto faktory ztrácí význam a často takové UPS poskytují možnost doplnění o různé nestabilní stejnosměrné zdroje, jako je větrný generátor nebo solární baterie .

Ekonomicky nejschůdnější je v současnosti získávat pomocí větrných turbín nikoli elektrickou energii průmyslové kvality, ale stejnosměrný nebo střídavý proud (proměnná frekvence) s její následnou přeměnou pomocí tepelných čerpadel na teplo pro vytápění bydlení a výrobu teplé vody. Toto schéma má několik výhod:

Vývoj

Průmysl domácích větrných turbín se aktivně rozvíjí a za poměrně rozumné peníze je již možné pořídit větrnou turbínu a zajistit energetickou nezávislost vašeho venkovského domu na mnoho let. Obvykle pro dodávku elektřiny do malého domu stačí instalace o jmenovitém výkonu 1 kW při rychlosti větru 8 m / s. V případě, že oblast není větrná, lze větrný generátor doplnit fotovoltaickými články nebo dieselagregátem, větrné turbíny s vertikální osou lze doplnit menšími větrnými generátory (např. turbínu Darrieus lze doplnit o Savonius rotor . zároveň jedno neruší druhé - prameny se budou doplňovat).

Nejslibnější regiony pro rozvoj malé větrné energie jsou regiony s náklady na elektřinu nad 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 v příštích 5 letech se náklady sníží na 0,07 USD za kWh. Podle AWEA bylo v roce 2006 v USA prodáno 6 807 malých větrných turbín . Jejich celkový výkon je 17 543 kW. Jejich celková cena je 56 082 850 USD (přibližně 3 200 USD za kW výkonu). Ve zbytku světa bylo v roce 2006 (kromě USA) prodáno 9 502 malých turbín s celkovým výkonem 19 483 kW.

Americké ministerstvo energetiky (DoE) koncem roku 2007 oznámilo, že je připraveno financovat zejména malé (do 5 kW) větrné turbíny pro osobní potřebu.

AWEA předpovídá, že do roku 2020 vzroste celková kapacita malých větrných elektráren v USA na 50 tisíc MW, což bude asi 3 % celkové kapacity země. Větrné turbíny budou instalovány v 15 milionech domácností a 1 milionu malých podniků . Malá větrná energetika zaměstná 10 000 lidí. Ročně budou vyrábět produkty a služby v hodnotě více než 1 miliardy dolarů.

V Rusku se trend instalace větrných turbín pro vybavení domácností elektřinou teprve objevuje. Na trhu existuje doslova několik výrobců nízkoenergetických větrných turbín pro domácnost speciálně pro domácí použití. Ceny větrných turbín o výkonu 1 kW s kompletní sadou začínají od 35 do 40 tisíc rublů (pro rok 2012). K instalaci tohoto zařízení není vyžadována žádná certifikace.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Typy větrných turbín . Získáno 5. února 2013. Archivováno z originálu 11. února 2013.
  2. ↑ 1 2 Bilimovich B. F. Zákony mechaniky v technologii. - M .: Vzdělávání, 1975. - Náklad 80 000 výtisků. - S. 173.
  3. ↑ Proč mají větrné turbíny tři lopatky a ne dvě nebo čtyři? // Populární mechanika . - 2018. - č. 5 . - S. 16 .
  4. ↑ Co je lepší – vertikální nebo horizontální větrný generátor? Výhody a nevýhody. KOEFICIENT VYUŽITÍ ENERGIE VĚTRU . Získáno 20. září 2017. Archivováno z originálu 21. září 2017.
  5. ↑ Braga N. Vytváření robotů doma. - M.: NT Press, 2007. - S. 131 - ISBN 5-477-00749-4 .
  6. ↑ The Physics of Wind Turbines Kira Grogg Carleton College, 2005, str. 8 . Získáno 6. listopadu 2013. Archivováno z originálu 9. září 2013.
  7. ↑ Základy větrné energie . Bureau of Land Management . Získáno 23. dubna 2016. Archivováno z originálu 9. května 2019.
  8. ↑ Enercon E-rodina, 330 Kw až 7,5 MW, specifikace větrné turbíny . Archivováno z originálu 16. května 2011.
  9. ↑ Tony Burton. Příručka větrné energie  / Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins … [ a další ] . — John Wiley & Sons, 2001-12-12. - S. 65. - ISBN 978-0-471-48997-9 . Archivováno 24. června 2021 na Wayback Machine
  10. ↑ Sanne Wittrup . 11 års vinddata afslørede overraskende produktionsnedgang  (dánština)  (1. listopadu 2013). Archivováno z originálu 25. října 2018. Staženo 23. června 2021.
  11. ↑ Han, Xingxing; Liu, Deyou; Xu, Chang; Shen, Wen Zhong (2018). "Atmosférická stabilita a topografie ovlivňují výkon větrné turbíny a vlastnosti brázdy ve složitém terénu". Obnovitelná energie . Elsevier BV. 126 : 640-651. DOI : 10.1016/j.renene.2018.03.048 . ISSN  0960-1481 .
  12. ↑ Ozdamar, G. (2018). "Číselné srovnání vlivu materiálu lopatky na účinnost větrné turbíny." Acta Physica Polonica A. 134 (1): 156-158. Bibcode : 2018AcPPA.134..156O . DOI : 10.12693/APhysPolA.134.156 .
  13. ↑ Faizullin I.I. Větrné elektrárny  // Orenburg State University. - 2014. Archivováno 23. ledna 2022.
  14. ↑ Norsko spustí plovoucí pobřežní větrnou turbínu (nedostupné spojení) . Získáno 9. září 2009. Archivováno z originálu 16. září 2009. 
  15. ↑ 12 Jorn Madslien . Plovoucí větrná turbína spuštěna , BBC NEWS , Londýn: BBC, s. 5. června 2009. Archivováno z originálu 26. ledna 2022. Staženo 3. listopadu 2022.
  16. ↑ Nová věž dosahuje výšky, aby chytila ​​vítr
  17. ↑ Španělské společnosti plánují větrnou turbínu o výkonu 15 MW 1. prosince 2010
  18. ↑ http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2012/07/wind-turbine-blades-push-size-limits?cmpid=rss Archivováno 18. června 2013 na Wayback Machine Chris Webb Wind Turbine Blades Push Size Limits, 07/10/2012
  19. ↑ Hybridní větrno-přílivová turbína bude instalována u japonského pobřeží 12. července 2013 . Získáno 18. července 2013. Archivováno z originálu 22. prosince 2014.
  20. ↑ Tildy Bayarová. Světový trh s větrnou energií: Rekordní instalace, ale míra růstu stále  klesá . Svět obnovitelné energie (4. srpna 2011). — 10 největších dodavatelů roku 2010 podle společnosti. Datum přístupu: 28. května 2013. Archivováno z originálu 28. května 2013.
  21. ↑ http://www.windtech-international.com/industry-news/news/industry-news/global-wind-turbine-manufacturing-capacity-has-far-surpassed-demand Archivováno 13. prosince 2014 na webu Wayback Machine Global kapacita výroby větrných turbín daleko převýšila poptávku Zveřejněno: 11. prosince 2014
  22. ↑ Stephen Lacey. Ceny větrných turbín zůstávají nízké  . obnoviteľná energieworld.com (4. srpna 2010). — Podle společnosti se cena větrných turbín za poslední dva roky snížila o 15 %. Datum přístupu: 28. května 2013. Archivováno z originálu 28. května 2013.

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích