Jako bezplatný zdroj energie je vítr k dispozici v neomezeném množství. Větrná energie je obnovitelný zdroj energie, a proto je šetrná k životnímu prostředí a regenerační, tedy samoobnovující se forma výroby energie. Mezi další formy obnovitelné energie patří výroba elektřiny z vody, slunce nebo biomasy.
Jaké typy větrných generátorů existují?
V dnešní době existují různé typy větrných turbín, velmi hrubě se rozlišuje větrné turbíny s horizontální nebo vertikální osou.
Větrné turbíny s horizontální osou
Nejpoužívanější typ větrné turbíny je dnes instalován po celém světě, od malých domácích elektráren až po velké průmyslové větrné farmy.
Větrné turbíny s horizontální osou využívají k provozu princip vztlaku, stejný fyzikální jev, který udržuje moderní letadla ve vzduchu.
Ve větrné elektrárně s horizontální osou se kinetická energie proudnicových vzduchových hmot přeměňuje na mechanickou energii rotujících listů rotoru.
V případě pomaloběžných rotorů je tento připojen přes převodovku k elektrickému generátoru, ve kterém se mechanická energie přeměňuje na elektrickou energii na základě elektromagnetické indukce.
U nových typů větrných elektráren (WPP) s horizontální osou lze převodovku s klasickým generátorem nahradit nízkootáčkovým vícepólovým generátorem instalovaným přímo na hřídeli rotoru. Hmotnost převodovky pro větrný generátor o výkonu 2 MW je přibližně 15000 XNUMX kg.
Hlavní částí větrné turbíny jsou lopatky větrného kola. Jsou na ně kladeny značné nároky, neboť musí odolávat nejen síle větru, ale i odstředivé síle rotující vrtule.
Správný profil a natočení lopatky proti větru je hlavní podmínkou pro maximální efektivitu využití větrné energie. Listy rotoru velkých elektráren jsou vyrobeny z kompozitních materiálů metodou laminace.
Minimální rychlost větru, při které začnou větrné generátory pracovat, je asi 3-4 m/s. Optimálního výkonu je dosaženo při rychlosti 15 m/s a při rychlosti větru nad 25 m/s se větrné generátory zastaví, aby nedošlo k poškození.
Větrné turbíny s horizontální osou tvoří většinu průmyslových zařízení. Průměr rotoru největšího z nich dosahuje 160 metrů, účinnost je přibližně 45 %.
Skládají se z dvoulisté, častěji však třílisté vrtule, hřídele, převodovky a elektrocentrály. Veškeré toto vybavení je obsaženo v otočné gondole na vrcholu ocelové nebo železobetonové věže.
U malých turbín se otáčení do větru provádí pomocí malé lopatky, větší a výkonnější turbíny se točí proti větru pomocí servomotorů řízených řídicí elektronikou podle čidel směru větru.
Většina větrných turbín s horizontální osou směřuje proti větru z věže, protože věž sama o sobě způsobuje nežádoucí turbulence, když kolem ní proudí vzduch. I přes tuto nevýhodu byly stavěny i turbíny s pracovními lopatkami za nosnou věží, protože nevyžadovaly systém otáčení celé gondoly do pracovní polohy rovnoběžné se směrem větru a lépe zvládaly silný vítr.
Výkonnost moderních větrných turbín s horizontální osou se pohybuje v řádu několika MW, pro zvýšení celkového výkonu elektrárny jsou kombinovány do větrných elektráren nebo větrných elektráren. Projektovaná životnost větrné turbíny je 20 až 25 let s dobou provozu přibližně 120000 XNUMX hodin.
Větrné generátory s vertikální osou
Existuje však i typ větrné turbíny s vertikální osou. Mezi nimi jsou jedním z dominantních modelů rotorové turbíny Darrieus. Mohou být zvýšeny do středního rozsahu výkonu a jsou velmi výrazné z čistě vizuálního hlediska.
Větrná turbína Darrieus se obvykle skládá ze dvou nebo tří lopatek křídel rotujících kolem svislé osy, aby vytvořily válcový, kulový nebo parabolický povrch.
Patří mezi vysokorychlostní větrné turbíny – obvodová rychlost listů rotoru je několikanásobně vyšší než rychlost větru. To klade vysoké nároky na materiál plechů a jejich upevnění, protože na ně působí značná odstředivá síla.
Jednou z variant Darrieusovy turbíny je větrný mlýn s H rotorem, který je výrobně jednodušší, protože používá rovné vertikální lopatky, ale jejich uložení musí být odolnější pro značné odstředivé síly.
Aby se předešlo nepříjemným pulzacím, jsou turbíny Darrieus někdy stavěny s lopatkami rotoru nakloněnými do spirály. To vytváří rovnoměrný točivý moment.
Jeho provoz je založen na principu vztlaku. Profily se pohybují v proudnicovém vzduchu kolem osy hlavního rotoru po kruhové dráze s nulovým úhlem náběhu.
Rychlost vzduchu vzhledem k rotaci křídla se vektorově přidává k rychlosti větru, takže výsledné proudění vzduchu vytváří malý kladný úhel náběhu křídla. Výsledná vztlaková síla je směrována dovnitř mimo osu turbíny a vytváří točivý moment, který pohání turbínu.
Výhodou vertikálních turbín Darrieus je snadná údržba, protože všechny mechanismy jsou umístěny nízko u země. Nepotřebuje ani mechanismus natáčení do směru větru, je prakticky nezávislý na směru větru. Na druhou stranu je však pro primární rotaci rotoru nutný externí zdroj.
Mezi nevýhody tohoto typu větrných turbín patří horší ovladatelnost, pulzující cyklus výkonu vedoucí k rezonancím a velké odstředivé síly působící na rotor. Díky tomu jsou mnohem dynamičtěji zatěžovány než turbíny s horizontální osou, což v konečném důsledku snižuje jejich životnost.
Další možností jsou rotorové větrné turbíny Savonius, které lze díky nízkým otáčkám a nízkému výkonu použít pouze jako vzduchová čerpadla.
Větrná turbína Savonius se nejčastěji skládá ze dvou vzájemně rotujících půlválců, podélně připevněných ke svislé ose, tvořících v průřezu písmeno S.
Na základě rozdílných koeficientů odporu konkávních a konvexních ploch půlválců vyvíjí vítr výrazně větší tlak na konvexní lopatku (půlválec) a roztáčí tak rotor turbíny.
Osa otáčení je kolmá na směr proudění vzduchu. Vnitřní okraje lopatek se ve středu otáčení mírně překrývají, což umožňuje průchod vzduchu mezi nimi.
Rotor turbíny Savonius se otáčí relativně pomalu, ale poskytuje vysoký točivý moment. Tyto vlastnosti jej předurčují především k čerpání vody a mletí obilí, nikoli k výrobě elektřiny.
V historickém stroji „drag wind pump“ tlačí vítr na povrch vhodně natočených lopatek oběžného kola a aerodynamický odpor roztáčí hřídel stroje. Rotační pohyb hřídele je pak převeden na vertikální pohyb pístu čerpadla. Tyto turbíny nejsou tak účinné jako vztlakové turbíny, ale jejich výroba není tak náročná nebo nákladná.
Podobné větrné stroje, které nevyráběly elektřinu, se v minulosti často používaly. Turbína vykonávala přímou mechanickou práci – větrný mlýn mlátil obilí, vodu čerpaly větrné stroje nebo poháněly parní lokomotivy. Vodní čerpadla poháněná větrem lze ještě dnes vidět v některých zemích, jako jsou USA nebo Austrálie.
Různé větrné turbíny od různých výrobců
Dva největší výrobci větrných turbín jsou VESTAS, ENERCON a SIEMENS. Každý výrobce staví své větrné turbíny jinak s různými specializacemi, z čehož logicky vyplývá, že větrné turbíny se liší výrobce od výrobce. Existuje také několik menších výrobců, kteří se spíše specializují na určité speciální technologie, než aby se spoléhali na velké prodeje.
Jak a kdy se větrná energie prosadila?
Globální průlom v oblasti větrné energie začal koncem 1980. let v Kalifornii v USA: příznivé daňové podmínky pro investice, krize cen energie a rostoucí obavy o životní prostředí přispěly k rychlému rozvoji.
Od počátku 1990. let se v Evropě roztáčí stále více větrných turbín. Důležitou roli zde při zvyšování výstavby elektráren sehrály i politické rámcové podmínky: v Německu je od roku 1991 uplatňován zákon o zásobování elektřinou (StromEinspG), od roku 2000 pak zákon o obnovitelných zdrojích energie (EEG).
Kolik elektřiny vyrábí větrný mlýn?
Za dobrých podmínek, tedy ve větrné oblasti, jako je kopec nebo pobřeží, dokáže moderní větrná turbína vyrobit v průměru 15 milionů kWh elektřiny ročně.
Jak vysoké jsou větrné turbíny?
Větrná turbína má průměrnou výšku 90 až 130 m (výška náboje), průměr rotoru až 90 m a jmenovitý výkon 2 až 5 megawattů (MW), offshore (offshore) až 15 MW. Větrné turbíny nové generace někdy dosahují impozantních rozměrů: mohou dosáhnout výšky 240 m, včetně lopatek rotoru.
Pobřežní a pobřežní větrné elektrárny
Pozemní větrné generátory jsou nejrozšířenější díky jednodušší instalaci. Pozemní větrné generátory, potomci větrných mlýnů, jsou instalovány na přírodních kopcích. Kromě toho lze větrný generátor průmyslové kvality sestavit a spustit za 10 dní. Získání potřebných povolení pro jeho provoz však vyžaduje mnohem více času.
Pozemní větrné generátory, instalované v určité vzdálenosti od oceánu nebo mořského pobřeží, jsou stále populárnější.
Kvůli rozdílu teplot mezi zemí a vodními plochami fouká na pobřeží dvakrát během dne silný vánek. Přes den je mořský vánek nasměrován ke břehu a v noci se vánek pohybuje od ochlazeného břehu směrem k vodě.
Stejně jako jiné oblasti alternativní energie, které využívají energii přílivu a odlivu a geotermální procesy, se i větrná energie nadále rozvíjí.
Docela slibným řešením jsou pobřežní větrné elektrárny, které se staví v moři asi 10 kilometrů od pobřeží.
Toto umístění větrných generátorů nevyžaduje použití významných pozemních zdrojů a zajišťuje vysokou účinnost díky pravidelným a silným mořským větrům. Tyto elektrárny se staví na mělkých šelfových oblastech moře.
Větrné generátory jsou namontovány na pilotových základech. Takový design je přirozeně mnohem dražší než tradiční pozemní.
Plovoucí větrné elektrárny otevírají novou stránku v historii alternativní energie. První velký projekt tohoto druhu byl realizován v Norsku v létě 2009.
Norská společnost StatoilHydro navrhla plovoucí větrné turbíny pro hlubokou vodu. Demonstrační verze 2,3 MW byla odhalena v září 2009. Turbína zvaná Hywind váží 5300 tun a je vysoká 65 metrů a nachází se 10 kilometrů od jihozápadního pobřeží Norska.
Výška věže větrného generátoru je 65 metrů a její podvodní část sahá do hloubky 100 metrů. Ke stabilizaci věže větrného generátoru a jejímu ponoření do požadované hloubky se používá balast. Aby se zabránilo volnému snášení, je celá konstrukce ukotvena třemi lanky.
Jaké je ideální umístění pro větrné turbíny?
Nespecialistovi se zdá, že tam, kde fouká silný vítr, je optimální umístit větrný mlýn. Často je však třeba vzít v úvahu celou řadu faktorů: elektrická a silniční infrastruktura nebo nepříznivé klimatické podmínky, jako jsou extrémní teploty, mohou způsobit, že větrná lokalita bude bezcenná.
Určení optimálního umístění pro jednu nebo více větrných turbín zpočátku zahrnuje přesný průzkum místa.
Pro rovinatý terén a pobřežní oblasti lze takové zprávy vypočítat z průměrných dat, která jsou často k dispozici. Základem jsou data z rutinních měření větru z regionálních meteorologických služeb.
Atlasy větru lze také použít k plánování větrné turbíny nebo větrné farmy. Výpočet musí brát v úvahu domy, stromy, zemní valy nebo jiné místní překážky. Mohou mít rozhodující vliv na rychlost a směr větru a tím i na množství vyrobené zelené elektřiny.
Obecně platí, že vzdálenost od větrné turbíny by měla být alespoň 15 až 20násobek výšky stávající překážky. Alternativně je možné, že větrná turbína je výše než překážka.
Pro vnitrozemské oblasti je čistě matematické určení rychlosti větru obvykle příliš nepřesné, protože tato metoda málo zohledňuje vliv kopců a nerovného terénu. Zde pouze přímé měření na místě samotném pomáhá určit přesnou polohu větrného mlýna, respektive přísunu větru.
Jakmile jsou hodnoty větru určeny, údaje o počasí z okolních měřicích stanic nebo údaje z atlasů větru jsou porovnány a převedeny na typický větrný rok.
Protože nerovný terén zpomaluje vítr, čím výše nad zemí se rychlost větru měří. Pro správné zaznamenávání účinnosti větrné energie je důležité změřit výšku náboje navrhované větrné turbíny.
Nejúčinnější jsou větrné turbíny na moři
Pobřežní větrné turbíny umístěné v určité vzdálenosti od pobřeží nemají žádné překážky nebo jiné nejistoty, které by omezovaly maximální využití větru.
Pobřežní větrné turbíny využívají výrazně lepších větrných a vesmírných podmínek na moři k výrobě regenerační energie.
Takže například v Německu obvykle volí vzdálenost asi 30 km od pobřeží, přesněji: v Severním moři jsou větrné turbíny umístěny ve vzdálenosti od 30 do 90 km od pobřeží, v Baltském moři jsou větrné turbíny umístěn ve vzdálenosti 15 až 35 km od pobřeží.
Otevřená místa pro výrobu větrné energie jsou záměrně vybrána z několika důvodů. Jednak k ochraně přírody a jednak proto, aby nenarušovaly jiné využití pobřežních vod, jako je lodní doprava nebo vojenská cvičení.
Zahraniční projekty již sbírají zkušenosti s offshore větrnými turbínami. Systémy jsou ukotveny k mořskému dnu na svém místě pomocí různých metod. Kvůli vzdálenosti většinou nejsou vidět z pevniny a ostrovů.
Větrná energie na moři poskytuje vysoké energetické výnosy a jsou dobré vyhlídky, že během několika příštích let bude rozhodujícím způsobem přispívat k udržitelné, udržitelné výrobě energie a snižování emisí CO2. Je to tedy příležitost zastavit změnu klimatu.
Vzhledem k tomu, že trvale instalované pobřežní větrné farmy jasně zasahují do zastavěných mořských oblastí, jsou v této souvislosti diskutovány i otázky životního prostředí. Například obavy, že by tyto větrné turbíny uprostřed moře mohly ohrozit životy ptáků, se zatím nenaplnily. Zvířata přizpůsobují své chování.
V současné době probíhají další výzkumy, jako je narušení rybích obsádek, přesněji jejich směrový smysl a další možné důsledky pro životní prostředí.
Jakákoli zjištění by měla být zohledněna v budoucích plánech pro větrné turbíny na moři. Navíc se ozývají hlasy zejména ze sdružení, že větrné turbíny na souši, tedy na souši, lze stavět levněji. V současnosti jde o nejlevnější způsob výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie.
Větrná energie na moři má obrovský potenciál, který však zatím nelze celosvětově plně využít, protože v současnosti lze větrné elektrárny na moři instalovat pouze na mořském dně v maximální hloubce vody 50 metrů za ekonomicky únosné náklady. To omezuje počet vhodných mořských oblastí.
Budoucnost je větrná energie
V době nedostatku surovin a vážných výzev energetické politiky je nyní každému jasné: energie budoucnosti bude pocházet především z větru. Nové technologie a inovace ukazují, že jsme teprve na začátku cesty větrné energie.
Neobvyklé konstrukce pro větrnou energii na moři:
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
