Proč potřebujeme větrné turbíny? | Pikabu

Dobrý den, milí uživatelé Pikabu! Není to tak dávno, co se Rusko zaměřilo na výrobu větrných turbín v průmyslovém měřítku. Někteří lidé si tuto myšlenku uvědomují, jiní ji ignorují a pravděpodobně ještě méně lidí ví, o čem to celé je. V tomto článku bych se rád podělil o své myšlenky na toto téma.

Začněme tímto chlapem:

Předseda představenstva RUSNANO Management Company Anatolij Čubajs v projevu na obchodním fóru Atlanty uvedl, že první větrné turbíny výhradně ruské výroby budou brzy uvedeny na trh.

„První ruská větrná farma byla spuštěna v únoru 2018. V Uljanovsku se v současné době staví závod na výrobu lopatek větrných turbín a v Nižním Novgorodu již byla zahájena výroba gondol.

RUSNANO je podle něj nyní jedničkou ve zpracování větru. V budoucnu se bude organizace zajímat o maloobchodní směřování energie vyrobené z přírodních zdrojů, jako je slunce a vítr. „Například dača nebo restaurace se solárním panelem: přes den konzumujete a v noci vydáváte,“ pokračoval Anatolij Čubajs.

„Dnes se trh zformoval. Jsem si jistý, že do roku 2024 bude mít země funkční obnovitelné zdroje s kapacitou více než 5 tisíc megawattů. Pro Rusko je to významné, ale v celosvětovém měřítku velmi nevýznamné. To jsou přibližně 2 % celkové výroby elektřiny. Německo si stanovilo cíl 50 %, pro Evropskou unii je to nyní 25 %,“ dodal šéf RUSNANO.

Investiční akce je realizována za účasti RUSNANO. Celková kapacita větrných turbín Don, kterých bude 78 bloků, bude 300 MW.

85metrové věže budou na místo instalace transportovány nákladními auty. Gondoly, které se vyrábějí v Uljanovsku, a radlice z Nižního Novgorodu budou dodávány samostatně.

1. Při zohlednění všech průměrných nákladů od zahájení výroby po instalaci bude instalace jedné větrné turbíny o výkonu 3,5 megawattu stát 0,76 milionu eur (to je průměrná hodnota podle RUSNANO). Instalace jedné větrné turbíny není ekonomicky proveditelná; je potřeba větrná farma s 50-100 nebo více instalacemi s celkovou investicí ve výši stovek milionů dolarů. Odhadovaná doba návratnosti investic je 10-15 let, za předpokladu, že RUSNANO již vyvinulo kombinovaná řešení: kdy se současně využívá solární a volitelná větrná energie a je zde také zásobník energie a dieselový generátor. Doba návratnosti takových projektů je 5–7 let.

2. Nápad už stojí energetický trh pěkný groš: schválený program na podporu OZE (obnovitelné zdroje energie) do roku 2035 se blíží 2,5 bilionu rublů. Pro srovnání: státní podpora na vytvoření našich vlastních vysoce výkonných plynových turbín je sedm miliard rublů.

3. Co ale budeme dělat s průmyslem větrné energetiky, když ji ve velkých objemech nepotřebujeme pro vlastní potřebu a vnější trh nás vůbec neočekává, alespoň ne jako jednu z dílen globální korporace, ale jako výrobce nezávislé na zahraničních partnerech?

Bojujte s větrem

Trh výroby větrných turbín (větrných elektráren) je značně konkurenční. Existují dva hlavní problémy, jejichž řešení vyžaduje obrovské investice. Cizí země jsou z hlediska rozvoje těchto technologií desítky let před Ruskou federací a patenty samozřejmě sdílet nebudou.

Prvním problémem je faktor využití větrné energie (WEF). Bylo teoreticky prokázáno, že faktor využití větrné energie ideálního větrného kola pro horizontální, vrtulové a vertikální instalace je 0.593. Dosavadní experimentální studie ruských instalací s vertikální osou ukázaly, že dosažení hodnoty 0.4-0.45 je zcela reálný úkol.

Druhý problém je komplexní. Boj s gravitací, oscilacemi větru, rychlostí, hustotou, materiály, dodávkami a mnohem, mnohem více. Rychlost větru bude záviset na výšce, což znamená, že v boji o tuto výšku se zvětší i rozměry větrné turbíny. Větší hmotnost znamená náročnější instalaci, výrobu, údržbu atd. Velmi silný vítr může snadno srazit větrnou turbínu k zemi, zlomit lopatky nebo cokoliv jiného. Navíc vítr je takový škůdce, úplně vrtkavý. Obecně je obtíží dost.

Závislost na nadmořské výšce

V letectví se vzduchová vrstva vysoká až 100 metrů nazývá přízemní vrstva. Jedná se o nejnepředvídatelnější a nejobtížnější vrstvu z hlediska určování proudění vzduchu. A zároveň nejvyužívanější větrná energie. Každý se snaží instalovat svou „větrnou turbínu“ výše ve snaze získat větší rychlost větru z výšky.

Každý asi ví, že rychlost větru roste s výškou. Vzorec je také známý:

Z výše uvedeného vzorce je jasné „téměř všechno“, kromě stupně k. Hodnota k v mnoha pracích je brána jako k=0,143. Regulační dokumenty doporučují k=0,2. Ve Spojených státech jsou pro různá místa hlášeny hodnoty od 0,2 do 0,26. Při měření v různých výškách dosahují hodnoty k 0,34. V některých pracích pro Ukrajinu se používá k=0,167.

Závisí na poloze

Bohužel často posuzujeme vítr podle zpráv o počasí. Ale sotva přemýšlíme o tom, že se uvažuje průměrná rychlost přízemní vrstvy do výšky 10 metrů, že vítr je nárazový a jeho směr je proměnlivý.

Větrná turbína není v klidovém režimu a je potřeba síla schopná roztočit rotor elektrického generátoru. Navíc, čím větší je plocha zametané plochy (rozpětí křídel), tím větší je potřeba síly. To je klíčový problém rotačních větrných turbín.

Třílistá větrná turbína vyžaduje stálou průměrnou rychlost větru asi 8 m/s, maximálně 12, ale takové průměrné roční rychlosti nejsou typické pro všechny regiony, podívejme se na mapu:

Za zmínku také stojí, že hustota vzduchu se v zimě zvyšuje, což ovlivňuje účinnost větrného generátoru. V zimě se při stejné rychlosti větru generovaný výkon zvyšuje o 5-10%. To je usnadněno hladkým povrchem sněhové pokrývky a absencí silných překážek v podobě listů stromů. Pro arktické stanice jsou nejlogičtější volbou větrné turbíny.

Existuje také přímá závislost na rychlosti větru; jak se zvyšuje, výkon roste nelineárně. (tato závislost bude diskutována v materiálu níže)

Ukazuje se, že nejlepší místa pro instalaci jsou oranžové zóny a výše, pak to bude oprávněné.

KIEV je poměr výkonu vyvinutého větrnou turbínou k výkonu proudění vzduchu zametané oblasti, ve které se motor otáčí. Konvenční motory jsou obvykle označovány jako účinnost; ve větrné energetice byl tento koncept nahrazen KYJEVEM. Vrtule v aerodynamickém tunelu je vystavena podmínkám rychlosti větru 10-12 m/s a tento koeficient je stanoven na výstupu.

Tento koeficient se určuje za ideálních podmínek, které v přírodě neexistují. Poryv, hustota, směr, rychlost, turbulence, tyto veličiny nejsou konstantní. Ukazuje se, že šroub nemůže v provozním režimu dosáhnout ukazatelů nejvyšší rychlosti. Na základě toho se vyvíjejí nové způsoby využití větrné energie, objevují se vícelopatkové turbíny, plachetní motory, motory Savonius atd. Níže je vizualizace a výpočet KIEV podle Betzova zákona:

Betzův zákon objevil v roce 1919 německý fyzik Albert Betz. Podle tohoto zákona nemůže mechanismus větrného generátoru získat více než 59,3 procenta kinetické energie větru.

Zásadním rozdílem mezi větrnými turbínami je využití síly k přeměně energie, a to síly tlaku větru nebo vztlaku. Teoretické účinnosti jsou: pro první typ 0,22, pro druhý – 0,59 (podle teorie Zhukovsky-Betz). Empiricky bylo prokázáno, že ty druhé jsou účinnější.

Princip činnosti třílisté turbíny

Vlivem proudů vzduchu (č. 1 ve schématu) se rotor „A“ a k němu připevněné lopatky „B“ uvedou do rotačního pohybu; rotační pohyb (č. 2 ve schématu) rotoru „A“ je přenášen na hnací nápravu „C“ a převodovku „D“ (převodovka); z převodovky „D“ je rotační pohyb přenášen na elektrický generátor „G“, v jehož vinutích vzniká elektrický proud.

Existuje poměrně staré video Discovery o provozu větrných turbín.

Je vhodné instalovat třílisté větrné generátory v oblastech a nadmořských výškách, kde je průměrná rychlost větru vyšší než 7 m/s, a pro každou instalaci existuje „kritická rychlost větru“ – maximální zatížení, po kterém větrná turbína selže. Lopatky velkých generátorů se začnou otáčet, když je rychlost větru 3-4 m/s; maximální účinnosti je dosaženo při 12 m/s.

a tato závislost vypadá takto:

Výkon větrného generátoru se 3 lopatkami s horizontální osou se odhaduje pomocí vzorce:

P – návrhový výkon, kW;

r – vzdálenost od středu rotoru ke konci listu, m;

v – průměrná rychlost, m/s;

0,6 – koeficient mínus ztráty

Například délka lopatky „budoucích větrných turbín v Ruské federaci“ je 62 m.

Výška vrcholu bude asi 87 m.

Pomocí vzorce pro výpočet rychlosti větru v této výšce získáme průměrnou hodnotu cca 10 m/s s optimistickými „budoucími“ body pro výstavbu těchto konstrukcí.

Získáme výkon 0,6*3,14*3844*1000 = 7,24 megawattů potenciální maximální výkon větrného generátoru.

Je pravda, že jaderné elektrárny jsou stabilnější a nepodléhají velkému kolísání výkonu, na rozdíl od větrných turbín. (celkem 37 reaktorů generuje 179 000 000 megawattů, což je 17 % z celkové výroby elektřiny. Přitom doba návratnosti u jaderné elektrárny je až 25 let. Doba návratnosti u vodní elektrárny je až 15 let)

Aby bylo možné nahradit 10 % energie vyrobené větrnými turbínami, bude nutné postavit více než 14 milionů takových zařízení (takové výrobní kapacity dosáhneme v nejlepším případě za 20 let)

proč je to všechno?

Těžko si představit situaci, kdy se Anatolij Čubajs spolu s ruským ministerstvem energetiky sejdou a po půlhodině brainstormingu se rozhodnou své úsilí nasměrovat na větrné turbíny. Vše má své předpoklady a tato myšlenka se nezrodila bezdůvodně.

Když větrné elektrárny nebyly na Západě žádané, rozvinuli jsme toto odvětví, pak míra skepse prudce vzrostla. Hlavním problémem je prostor; začali si myslet, že to nemá budoucnost a v Evropě je už vůbec není kam umístit. Zatímco jsme byli skeptičtí, kapacita výroby větrných turbín v zahraničí rostla a technologie se vyvíjely. (Samotný trh s obnovitelnými zdroji energie prošel obrovskými změnami zejména za posledních 20 let a hotové výrobky jsou již dlouho dostupné všem)

V roce 2016 se náhle změnila míra skepse. Faktem je, že zasáhl Rosatom, respektive jeho zástupce generálního ředitele Vjačeslav Peršukov. Prohlášení se scvrkává na následující: „Po splnění stávajících zakázek na výstavbu nových jaderných elektráren v zahraničí zůstane Rosatom s největší pravděpodobností bez zakázek.“ Hlavním důvodem je návratnost, trvá příliš dlouho. Ukazuje se, že potenciální výdělky na trhu jaderných technologií pro Rusko skončily. A vezmeme-li v úvahu fakt, že zdroje ropy a plynu v dohledné době dojdou, je potřeba rozvíjet úplně jiné oblasti, které jsou pro nás nové. (Obnovitelné zdroje energie jsou na vrcholu poptávky)

Je zřejmé, že v oblasti obnovitelných zdrojů energie, zejména na trhu s větrnou energií, Rusko po desetiletí zaostává. Ruská federace zřejmě pamatující historii míří do Evropy a spolu s Lagerweyem se učí stavět větrné elektrárny. Právě se učíme, je příliš brzy mluvit o velkých výrobních kapacitách, ale problém existuje a budou přiděleny kolosální prostředky. Ve skutečnosti budeme jen se zatajeným dechem sledovat, jak se Rusko snaží stát se konkurentem na světové scéně.

Na závěr závěry po seznámení se s tímto tématem:

1. Je rozumné stavět větrné turbíny, doba jejich návratnosti se může zkrátit na 5-7 let, což výrazně předčí sazby vodních elektráren, jaderných elektráren atd. (RUSNANO uvádí taková čísla, teoreticky je to pravda, ale bez kombinovaného systému je to 10-15 let)

2. Spolu se zahraničními organizacemi Rusko získává přístup k technologiím a zkušenostem s prací s nimi. Zároveň nikdo nebude sdílet patenty; jsou vyžadovány nové, naše vlastní.

3. Prodej finálního produktu je vždy výhodnější než prodej surovin potřebných k jeho výrobě; to je jeden ze zákonů trhu. Pro vstup na globální trh je nutné vytvořit obrovské výrobní kapacity. S největší pravděpodobností bude tento projekt stát desítky a dokonce stovkykrát více. (Náš trh není připraven na rozsah, budeme muset nalít obrovské množství peněz, než se dočkáme prvních výsledků)

4. Projekt je výhradně ve vlastnictví státu a historie ukazuje, že naše výsledky jsou často horší, než se předpokládalo. Pokud se však vyvinou nové technologie, existuje šance na úspěch. Vždy musíte někde začít, trh se surovinami je vyčerpaný a za 20-30 let nebudete schopni naplnit rozpočet ropou a plynem. (V každém případě nízká cena větrné turbíny zajistí její větší konkurenceschopnost)

5. Hlavním cílem projektu je rozvoj trhu s větrnými turbínami v Ruské federaci a zavedení exportu.

6. Hlavním budoucím problémem je zpronevěra peněz. (bohužel to nejde obejít)