Jak fungují větrné turbíny

Vítr je forma sluneční energie. Větry jsou způsobeny nerovnoměrným ohřevem atmosféry sluncem, nepravidelnou strukturou zemského povrchu a jeho rotací. Vzory proudění větru jsou modifikovány tvary terénu, vodními masami a vegetací. Lidé využívají vítr nebo energii jeho pohybu k mnoha účelům: k plachtění, pouštění draků a dokonce k výrobě elektřiny. Pojmy větrná energie a větrná energie popisují proces využití větru k výrobě mechanické energie nebo elektřiny. Větrné turbíny (větrné generátory) přeměňují kinetickou energii větru na mechanickou energii, kterou lze využít pro řadu specifických úkolů, jako je mletí obilí nebo čerpání vody.

Jak tedy větrné turbíny vyrábějí elektřinu? Jednoduše řečeno, větrná turbína funguje naproti ventilátoru. Namísto použití elektřiny k výrobě větru, jako ventilátor, větrné turbíny využívají vítr k výrobě elektřiny. Vítr otáčí lopatky, které otáčejí hřídelí spojenou s generátorem, který vyrábí elektřinu.

Tento letecký pohled na „větrnou elektrárnu“ ukazuje, jak může shluk větrných turbín vyrábět elektřinu pro spotřebitelské sítě. Prostřednictvím přenosových a distribučních vedení se dostává do domácností, podniků, škol a tak dále.

Typy větrných turbín

Moderní turbíny se dělí na dvě hlavní skupiny: horizontální a vertikální, podobně jako „šlehače“ modelu Darrieus, pojmenované po svém francouzském vynálezci. Turbíny s horizontální osou mají obvykle dvě nebo tři lopatky. Tyto třílisté turbíny pracují „proti větru“, přičemž lopatky směřují proti větru.

Turbína s horizontální osou	Turbína s vertikální osou

Turbína GE Wind Energy o výkonu 3.6 megawattů je jednou z největších, jaké kdy byly instalovány:

Větší turbíny jsou efektivnější. A to i z hlediska ceny.

Rozměry větrné turbíny

Rozsah velikostí turbín v užitkovém měřítku sahá od 100 kilowattů do několika megawattů. Velké turbíny jsou seskupeny do „větrných elektráren“, které dodávají elektřinu ve velkém do elektrické sítě.

Malé jednotlivé turbíny s výkonem pod 100 kW se používají k napájení domácností, telekomunikačních antén nebo k napájení vodních čerpadel. Malé turbíny se někdy používají v kombinaci s dieselovými generátory, bateriemi a solárními panely. Tyto systémy se nazývají „hybridní větrné systémy“ a používají se na odlehlých místech, kde připojení k elektrické síti není možné.

Uvnitř větrné turbíny

Anemometr

Měří rychlost větru a přenáší data o rychlosti do ovladače.

Čepele

Většina turbín má buď dvě nebo tři lopatky. Vítr procházející lopatkami způsobuje jejich „létání“ a otáčení.

Brzda

Kotoučová brzda s mechanickým, elektrickým nebo hydraulickým pohonem pro zastavení rotoru v kritických situacích.

Ovladač

Řídicí jednotka spouští stroj při rychlosti větru přibližně 8-16 mph a vypíná stroj při rychlosti přibližně 55 mph. Turbíny nefungují při rychlosti větru nad 55 mph, protože silný vítr je může zničit.

Převodovka

Mechanicky spojuje hřídel níz Převodovka je drahá (a těžká) část větrné turbíny a inženýři zkoumají generátory s „přímým pohonem“, které pracují při nižších otáčkách a nepotřebují převodovky.

Generátor

Typicky standardní indukční generátor, který produkuje střídavý proud 60 Hz (pro USA).

Vysokorychlostní hřídel

Nízkorychlostní hřídel

Rotor otáčí touto hřídelí rychlostí asi 30. 60 otáček za minutu.

Gondola

Gondola je umístěna v horní části věže a obsahuje převodovku, nízko a vysokorychlostní hřídele, generátor, řídicí regulátor a brzdu. Některé gondoly jsou dostatečně velké, aby na nich mohl přistát vrtulník.

Rotace čepele

Lopatky se otáčí proti větru nebo pod úhlem, aby se řídila rychlost rotoru a zabránila rotaci ve větru, který je příliš silný nebo příliš slabý na výrobu elektřiny.

Rotor

Lopatky a náboj dohromady se nazývají rotor.

Věž

Věže jsou vyrobeny z ocelových trubek (zde zobrazeny), betonu nebo mají prolamované provedení. Protože rychlost větru roste s výškou, vyšší věže umožňují turbínám zachytit více větrné energie a produkovat více elektřiny.

Směr větru

Existují takzvané turbíny „proti větru“, protože při provozu jsou otočeny „čelem“ větru. Jiné turbíny jsou navrženy tak, aby fungovaly „po větru“, směřující pryč od větru.

Větrná korouhvička

Zjišťuje směr větru a přenáší data do řídicí jednotky pro orientaci turbíny podle směru větru.

Pohon gondolou

Protivětrné turbíny musí být nasměrovány do větru a pohon gondoly se používá ke korekci směru rotoru při změně směru větru. Turbíny po větru nevyžadují pohon rotoru, protože vítr jim fouká „zad“.

Překlad: Starko-007 na objednávku RadioLotsman

Zdroje energie jsou předmětem neustálého lidského hledání. Neustále potřebujeme, aby pro nás pracovala elektřina, tepelná a mechanická energie. A za celou dobu své existence se lidstvo naučilo využívat minerály, energii vody, Slunce a atomu. Není divu, že byl registrován i vítr.

Významnou výhodou větrné energie oproti všem ostatním je, že je obnovitelná, neboť je to jeden z důsledků práce Slunce. Větrná energie studuje tuto oblast. Odborníci hledají nejpraktičtější a nejpohodlnější způsoby přeměny kinetické energie větru (přesněji atmosférických vzduchových hmot) na tepelnou, elektrickou a mechanickou energii pro využití v národním hospodářství.

Historie využití větru v různých zemích

Historie bitvy s větrem začala v dávných dobách. Již v roce 200 našeho letopočtu se Peršané naučili stavět větrné mlýny na mletí mouky. Tato technologie se do Evropy přesunula ve XNUMX. století.

V 16. století byl v Evropě větrný mlýn kombinován s hydraulickým motorem, což umožnilo odvodňovat území jejich rekultivací z moře a také zásobovat suchá území vodou.

Nejdůležitější byl ale rok 1890, kdy byla v Dánsku vynalezena větrná elektrárna. Tak se lidstvo naučilo získávat potřebnou elektřinu prakticky ze vzduchu. Byl to předchůdce větrných turbín s horizontální osou vyráběných ve 30. letech XNUMX. století.

Ale zpočátku lidé nedocenili potenciál vynálezu, masové použití začalo až v 80. letech. Ale dnes je rozsah využití větrné energie působivý.

Síla větrných elektráren byla poprvé hodnocena ve Spojených státech, ale lokálně – v Kalifornii. Právě zde se nacházejí největší větrné elektrárny, které se často objevují ve filmech. Podívaná je skutečně rozsáhlá a hypnotizující – v poušti se rytmicky točí obří větrné mlýny. Ale tato umělá krása je také neuvěřitelně užitečná, jedna taková větrná farma stačí k plnému zásobování malé osady elektřinou.

Až v 30. století začala Evropa překonávat Spojené státy v počtu využívaných větrných elektráren a objemu energie vyrobené s jejich pomocí. Dánsko je zde považováno za lídra ve výrobě, přibližně 19 % veškeré elektřiny se vyrábí pomocí moderních větrných turbín. Na druhém místě je Portugalsko – 16 %, mírně za ním je Španělsko – 14 %, následuje Irsko – 8 % a Německo – XNUMX %.

V Rusku se větrné elektrárny stále používají zřídka, protože většinu energie vyrábějí jaderné elektrárny a vodní elektrárny. Postupně se ale zvyšuje podíl větrných generátorů. Pomalé tempo růstu je způsobeno nedostatkem financí.

Princip činnosti a konstrukce větrného generátoru

Větrný generátor, nazývaný také větrný mlýn nebo větrná turbína, je zařízení na tyči vybavené rotujícími lopatkami. Rozšířily se větrné mlýny se svislou a vodorovnou osou otáčení. První jsou rotorové a lopatkové, druhé jsou lopatkové.

Každá větrná turbína se skládá z následujících prvků:

• Větrná turbína na stožáru, roztočená lopatkami nebo rotorem.
• Elektrický generátor.
• Baterie.
• Regulátor nabíjení baterie.
• střídač.

Průmyslová instalace je přitom mnohem větší a má spoustu doplňkových prvků.

Princip činnosti je poměrně jednoduchý: větrná energie roztáčí lopatky, přenáší se nejprve na elektromotor a poté na generátor. Rotace generátoru přispívá k vytváření elektrického proudu, který se naopak hromadí v bateriích. Jako poslední je do cyklu zařazen převodník, který vytváří požadovanou napěťovou úroveň.

Vytápění větrem

Ačkoli výroba elektřiny pomocí větrných turbín je zisková pouze ve velkém měřítku, podobně jako v průmyslovém měřítku, kvůli vysokým nákladům na zařízení. Jeden větrný generátor stačí k vytápění jednoho domu. Tato technologie si postupně získává na popularitě.

Topná tělesa systémů vytápění a zásobování teplou vodou jsou napojena na baterie, které se nabíjejí pomocí větrné energie. V tomto případě si majitel může vybrat jakýkoli typ topného systému, který je napájen z elektrické sítě.

Experimenty dokazují, že větrný mlýn může udržovat teplotu chladicí kapaliny na 65-75 stupních, pokud je jeho objem v systému 200 litrů, což je docela dost pro domácí účely. Problém vytápění a zásobování vodou pro dům o rozloze do 200 metrů čtverečních je zcela vyřešen.

Výhody větrných generátorů

• Hlavní výhodou větrné energie je, že vítr je obnovitelný zdroj energie.
• Na rozdíl od jiných typů elektráren jsou větrné elektrárny šetrné k životnímu prostředí, neprodukují žádné emise do ovzduší, což je důležité zejména v kontextu boje za čisté životní prostředí.
• Náklady na elektřinu z velkých větrných elektráren jsou velmi nízké, v Evropě se toto číslo pohybuje kolem 4-6 centů za kilowatt. Pouze jaderné elektrárny poskytují levnější energii, ale zároveň jsou mnohem nebezpečnější.
• Známá zajímavost: energii generovanou tepelnými elektrárnami nahrazuje větrná energie, která snižuje emise skleníkových plynů.
• Větrná energie snižuje potřebu jaderných elektráren a produktů ropných společností, což má v planetárním měřítku pozitivní vliv na životní prostředí.
• Větrné turbíny mohou být instalovány v místech, kde není možné dodávat elektřinu.

Nevýhody větrných generátorů

Navzdory četným výhodám větrných elektráren mají také několik nevýhod:

• Rychlá návratnost pouze ve velkém měřítku.
• Potřeba velkých ploch pro vytvoření větrných elektráren.
• Pracovat je možné pouze v oblastech, kde je dost větrno.
• Potřeba zavést inteligentní systémy pro boj s proměnlivostí hmotností větru.
• Vysoké náklady na zařízení a jeho údržbu.
• Vliv na sílu, rychlost a trasy větrných mas (zatím málo prozkoumáno, ale negativní dopad již byl zaznamenán).
• Negativní účinky na ptáky a létající zvířata (především netopýry).
• Vysoká hladina hluku (srovnatelná s hlukem jedoucího auta).
• Silné rádiové rušení.

Perspektivy využití větrné energie jsou velmi široké a dosud nebyly plně prozkoumány. Je zřejmé, že nevýhody jsou více než vyváženy výhodami, ale vysoká cena a nutnost složité údržby zatím neumožňují plné využití větrných elektráren na celé planetě.