Malé větrné turbíny | Publikace.

Výroba elektrické energie pomocí obnovitelných zdrojů je současným trendem ve vývoji energetiky. Známá jsou obří větrná pole, která vyrábějí elektřinu pro velká města. Stále populárnější jsou však v poslední době větrné turbíny, pomocí kterých se vyrábí elektřina pro jednotlivé spotřebitele, ať už jde o samostatný dům, farmu nebo třeba pouliční lampu. Takové větrné generátory jsou zvláště důležité pro Rusko, kde je ve většině částí země použití solárních panelů k výrobě elektřiny velmi obtížné kvůli krátkému dennímu světlu.

Využití větrné energie bylo historicky jedním z prvních pokusů lidstva využít síly přírody ve svůj prospěch. Připomeňme si alespoň slavné větrné mlýny, známé již od starověku. Holandsko navíc vděčí za svou existenci z velké části tomu, že se jeho obyvatelé naučili využívat větrnou energii k odčerpávání vody z nížin. Ve skutečnosti drtivá většina slavných holandských „větrných mlýnů“, které jsou jedním ze symbolů země, ve skutečnosti nemele mouku, ale jsou to obří čerpadla.

Větrné turbíny s horizontální osou

Větrný mlýn, stejně jako široce používané třílisté větrné generátory, patří do třídy větrných turbín s horizontální osou. U těchto větrných turbín má větrné kolo (zařízení určené k přeměně kinetické energie dopředného pohybu větru na mechanickou energii rotace) osu umístěnou ve vodorovné rovině. Výhodou takových větrných turbín je možnost jejich spouštění bez jakéhokoli dodatečného vlivu, pouze foukáním větru. Nevýhodou je nutnost orientace větrné turbíny ve směru proudění vzduchu. Tento problém je u jednotlivých generátorů řešen volným otáčením základny větrné turbíny v horizontální rovině a přidáním „ocasu“ k zařízení. V důsledku toho se větrná turbína sama orientuje požadovaným směrem.

Příklad větrné turbíny s horizontální osou

Větrné turbíny s horizontální osou jsou poměrně objemné a rotující lopatky mohou rušit komunikaci a příjem analogové televize. Vzhled takových větrných turbín je, jak se říká, „získaná chuť“. Navíc jsou známy případy lidí, kteří mají fobie z takových větrných turbín. Nejrozšířenější se však staly právě větrné turbíny s horizontální osou díky své vysoké účinnosti a jednoduché konstrukci. Kromě toho jsou malé větrné turbíny s horizontálou levné. Náklady na větrnou turbínu tohoto typu se přibližně rovnají číselné hodnotě výkonu, vyjádřené v kW, vynásobené 1200 USD. To je 3-5krát levnější než náklady na solární panely na jednotku energie.

Výkon ideálního větrného generátoru s horizontální osou v ustáleném stavu se vypočítá pomocí vzorce:

P = 0,5 QS_оV 3 C_pN_gN_b [1], kde
Q je hustota vzduchu rovna 1,23 kg/m3,
S_о — oblast, kterou zametají lopatky větrné turbíny,
V — rychlost větru, m/s
С_p — koeficient využití větrné energie (závisí na konstrukci větrné turbíny; pro ideální větrnou turbínu je to 0,593, ve skutečnosti nepřesahuje 0,45),
N_g — účinnost elektrického generátoru,
N_b — Účinnost multiplikátoru, mechanismu, který přenáší rotaci z větrného kola s lopatkami na elektrický generátor s určitým koeficientem.

Důležitým bodem je, že v ustáleném stavu výkon větrné turbíny nezávisí na šířce lopatek nebo jejich počtu. Spuštění větrné turbíny však závisí na šířce lopatek a jejich počtu. Čím vyšší jsou tato čísla, tím méně větru je potřeba k tomu, aby se větrná turbína začala točit. Ve skutečnosti je počet a šířka lopatek dána kompromisem mezi potřebou snížit zatížení osy větrné turbíny a potřebou zajistit spuštění větrného generátoru malými poryvy větru.

Plocha zametání je úměrná čtverci rozpětí lopatky, jinak známému jako průměr větrného kola. Proto je závislost výkonu na průměru větrného kola také kvadratická. U větrných turbín s jednotlivými horizontálními osami se rozpětí lopatek obvykle pohybuje od 1,2 do 7 m, což omezuje generovanou energii. Maximální výkon moderních malých větrných generátorů je 15 kW.
Je třeba poznamenat, že vzorec [1] udává výkon generovaný větrným generátorem v daném časovém okamžiku. Pro výpočet průměrného výkonu generovaného větrným generátorem je nutné znát statistiku rozložení rychlostí větru podle denní doby pro určitá roční období.

Větrné turbíny s vertikální osou

V takových generátorech má větrné kolo osu umístěnou ve svislé rovině. Hlavní výhodou větrných turbín s vertikální osou je, že nevyžadují orientaci ve směru proudění vzduchu. Kromě toho mají tendenci vypadat mnohem lépe než větrné turbíny s horizontální osou, což je nesmírně důležité pro jednotlivé větrné generátory, které mohou být umístěny na různých místech. V jistém smyslu jsou větrné turbíny s vertikální osou ozdobou krajiny.

Moderní design větrného kola se svislou osou, schopný startu z větru

Protože existuje mnoho různých konstrukcí vertikálních větrných turbín, jejich výkon se vypočítává pomocí složitějších vzorců než [1] tyto vzorce závisí na konkrétní konstrukci. Vztah, kdy je výkon úměrný třetí mocnině rychlosti větru, je zde však také přítomen.

Až donedávna vyžadovaly větrné turbíny s vertikální osou ke spuštění další vstup. Současně byl elektrický generátor přepnut do režimu elektromotoru a spouštěl větrnou turbínu z energie. dříve nahromaděné v baterii. V dnešní době byly vytvořeny návrhy větrných turbín, které jsou automaticky spouštěny větrem.

Dalším problémem je výrazně nižší účinnost větrné turbíny s vertikální osou oproti klasické „vrtuli“. U jednotlivých větrných generátorů je tato nevýhoda kompenzována tím, že větrné kolo není z estetických důvodů prakticky co do velikosti omezeno. Například při umístění na střechu budovy může být vyroben ve formě vysokého válce a nezkazí vzhled budovy.

V řadě evropských zemí jsou větrné turbíny s vertikální osou instalovány na střechách obytných a administrativních budov a paralelně připojeny k elektrickým sítím. Větrné turbíny pomohou snížit účty za elektřinu.

Animátor

Nejrychlejší větrné kolo může vyvinout rychlost otáčení maximálně 400 ot./min. Přitom nejvyšší účinnosti elektrického generátoru se obvykle dosahuje při otáčkách kolem 1000 ot./min. Větrné elektrárny obsluhující více spotřebitelů proto využívají tzv. multiplikátory – mechanismy, které přenášejí rotaci z větrného kola na elektrický generátor s koeficientem zvýšení. V jednotlivých větrných generátorech se násobiče často nepoužívají. Zároveň se smířili se snížením účinnosti elektrického generátoru ve jménu snížení nákladů na návrh.

Úschovna energie

Energie produkovaná větrným generátorem je extrémně nestabilní, protože rychlost větru se neustále mění. Proto je nutné použít baterii, ve které se hromadí a postupně ji uvolňuje do zátěže.

K akumulaci energie se obvykle používají gelové baterie (od slova „gel“ – principem činnosti jsou podobné kyselým bateriím, ale elektrolyt je ve formě želé) o napětí 12 V. Někdy se baterie zapojují do série do baterií s napětím až 120 V. Větrná turbína je k baterii připojena přes speciální regulátor, který řídí proces nabíjení. Napětí 220 V s frekvencí 50 Hz dodávané spotřebiteli je generováno pomocí měniče.

Ochrana proti zničení větrného kola

Při vysokých rychlostech větru může rychlost otáčení větrného kola překročit přípustnou normu, což vede k jeho zničení. Aby se tomu zabránilo, musí být generátor stále pod zatížením. Pokud je baterie plně nabitá a bez zátěže, je ke generátoru připojen předřadný odpor.

V případě bouřkového větru se lopatky generátorů s průměrem větrného kola do 2 m jednoduše zastaví, aby nedošlo k jejich zlomení. Při větší velikosti lopatky se větrné kolo otáčí ve vodorovné rovině. U velkých větrných turbín se lopatky skládají.

Hybridní generace

Velké větrné elektrárny se nacházejí tam, kde neustále fouká vítr, například v pobřežních oblastech. Naproti tomu jednotlivé větrné generátory jsou umístěny blízko spotřebitele. A zde může nastat situace, kdy několik dní nefouká vítr o rychlosti dostatečné pro normální provoz generátoru. Pro zajištění spolehlivé, nepřetržité dodávky elektřiny se proto používají tzv. hybridní systémy, které kombinují více zdrojů energie. Typicky se jedná o kombinaci větrné turbíny a solárních panelů. Když nefouká vítr, na obloze většinou nejsou mraky a lze využít sluneční energii.

Regulátor pro hybridní větrné napájení
a solární panely od čínské společnosti Sunteams

Energie ze solárních panelů a obou zdrojů je akumulována v jedné baterii (nebo baterii baterií) a je uvolňována spotřebiteli podle potřeby. K řízení procesu nabíjení se používá speciální dvoukanálový ovladač. Většina moderních modelů regulátorů solárních panelů je dvoukanálových a lze je použít v hybridních systémech.

Aplikace malé větrné energie

V současné době jsou jednotlivé větrné generátory u nás hojně využívány k výrobě elektřiny ve venkovských oblastech. Motivy přechodu na alternativní zdroje energie mohou být různé, od snížení současných nákladů na energie až po vyhnutí se obrovským nákladům na připojení nové budovy. Větrné generátory si navíc instalují nejen obyvatelé chudých vesnic, kteří jsou nuceni šetřit na elektřině, ale také obyvatelé luxusních chatových komunit, kterým monopolní dodavatelé elektřiny posílají obrovské účty. Konečně jsou místa, kde není elektřina, a pokládání elektrického vedení není ekonomicky únosné.

Některé farmy využívají větrné turbíny ke snížení nákladů a tím ke snížení výrobních nákladů. Potřeba nepřetržitého napájení diktuje v takových místech použití hybridních systémů, které kombinují větrnou turbínu, benzinový generátor a pokud to finanční prostředky dovolí, solární panely.

Systém osvětlení s hybridním napájením

Pro napájení LED svítidel lze použít hybridní systémy skládající se z větrného generátoru o průměru větrného kola cca 1,5 m a solárních panelů o ploše 1-2 m20. To umožňuje osvětlení složitých silničních úseků a přechodů pro chodce tam, kde je nerentabilní nebo jednoduše nemožné dodávat elektřinu. V podmínkách středního Ruska je taková instalace schopna zajistit nepřetržitý celoroční provoz lampy s příkonem 30-XNUMX W během tmavých hodin dne.

vyhlídky

Hlavním směrem zlepšení malých větrných elektráren je vývoj větrných generátorů s vertikální osou. Neustálé zlepšování větrných turbín umožňuje zvyšovat jejich účinnost a přibližovat se hodnotě tohoto parametru pro větrné turbíny s horizontální osou.

Sériově vyráběný hybridní LED osvětlovací systém
Čínská společnost TIMAR, vybavená větrnou turbínou s vertikální osou

Velké výhody navíc slibuje použití velkokapacitních kondenzátorů místo baterií pro akumulaci energie. Tím se zlepší účinnost napájecích systémů a sníží se náklady na jejich údržbu.

Alexej Vasilievv

Přihlaste se k odběru Elec.ru. Jsme v Telegramu, VKontakte a Odnoklassniki