Větrné elektrárny: princip fungování, výhody, nevýhody

Téměř veškerá elektřina se vyrábí v zařízeních využívajících energii přírodních zdrojů. Tempo produkce neustále roste a nerostné zdroje dříve či později dojdou. V tomto ohledu již probíhá slibný vývoj a zavádějí se nové technologie, které fungují jako alternativní zdroje elektřiny. Jednou z těchto možností jsou větrné elektrárny používané ve výrobním sektoru i v soukromém sektoru. Přeměnou větrné energie na elektřinu jsou schopny zajistit základní potřeby pro napájení zařízení a elektrických zařízení.

Zařízení větrné turbíny

Větrné generátory jsou naprosto šetrné k životnímu prostředí a jsou schopny spotřebitelům dodávat bezplatnou energii po neomezenou dobu. Větrné generátory – WEG mají různý výkon, což umožňuje jejich použití v různých oblastech.

Maximální účinnosti větrné elektrárny lze dosáhnout její instalací v místech s neustálým aktivním prouděním vzduchu. Obvykle se k tomu využívají hory a kopce, mořské a oceánské pobřeží a další podobné podmínky. Hlavní částí instalace je oběžné kolo, které funguje jako turbína. Ve většině případů se používají třílisté konstrukce větrných elektráren ve tvaru vrtule, instalované ve velké výšce od zemského povrchu.

Aby se dosáhlo co největšího účinku, lopatky spolu s rotorem se nastavují do optimální polohy pomocí speciálních mechanismů v závislosti na směru a síle větru. Existují i jiná provedení – bubnová, která nezávisí na výše uvedených faktorech a nevyžadují žádné úpravy. Pokud je však účinnost vrtulových jednotek na úrovni 50 %, pak je u bubnových zařízení mnohem nižší.

Každá vzduchová elektrárna, bez ohledu na její konstrukci, je plně napojena na působení proudění vzduchu, které často mění své parametry. To následně vede ke změnám v počtu otáček oběžného kola a vyrobené elektrické energie. Tato situace vyžaduje propojení generátoru a elektrické sítě s dalším zařízením.

Viz také:
Autonomní napájení venkovského domu vlastníma rukama

K tomuto účelu se zpravidla používají akumulátory spolu se střídači. Generátor nejprve nabije akumulátor, u kterého rovnoměrnost proudu nehraje roli. Poté se náboj z baterie, přeměněný ve střídači, přenese do sítě.

Vrtulové konstrukce větrných elektráren lze v případě potřeby regulovat. Pokud je rychlost větru příliš vysoká, úhel náběhu lopatek se mění až na minimum. To vede ke snížení zatížení turbíny větrem. Pod vlivem hurikánů však oběžná kola větrných elektráren často podléhají deformacím a celá domácí instalace selhává. Negativním dopadům se nelze zcela vyhnout, protože elektrické generátory se nacházejí v průměrné nadmořské výšce 50 m. Díky tomu je možné využívat silnější a stabilnější větry, které panují ve vyšších nadmořských výškách.

Princip činnosti

Téměř všechny větrné turbíny mají společný princip fungování. Pod vlivem proudění vzduchu se lopatky začnou pohybovat a díky speciálnímu pohonu spojené s rotorem způsobí jeho rotaci. Samotný rotor je umístěn uvnitř statorového vinutí a v důsledku rotace vzniká elektrický proud. Lopatky větrné turbíny mají speciální aerodynamické vlastnosti, takže se turbína otáčí vysokou rychlostí.

Každá čepel je na jedné straně plochá a na druhé zaoblená. Když vzduch prochází zaoblenou stranou, v této oblasti se vytvoří podtlak, který nasává čepel a pohybuje s ní do strany. Díky této energii se vytvoří celkový točivý moment. To je základní princip stanic.

Vyrobená elektřina se ukládá do baterie. Množství vyrobené energie závisí na rychlosti otáčení lopatek a rychlosti proudění vzduchu. Frekvence generovaného elektrického proudu je stejná jako v domácí síti, takže energie přijatá z větrné elektrárny je docela vhodná pro napájení zařízení a vybavení. Přijatý střídavý proud však nelze okamžitě akumulovat; k tomu je nutné jej převést na stejnosměrný proud. Takovou přeměnu provádějí speciální elektronická zařízení umístěná v turbíně.

Nabíjení baterie je řízeno regulátorem. Jak se náboj hromadí, lopatky se zpomalují a po vybití se znovu začnou otáčet. Tento provozní režim umožňuje udržovat nabití baterie na dané úrovni.

Funkce brzdového systému

Větrné turbíny mohou selhat při vysokých rychlostech proudění vzduchu. Aby se tomu zabránilo, je v konstrukci použit brzdný systém. Využívá sílu rotujících magnetů rotoru. Ty nejen indukují proud ve vinutí statoru, ale v určitých situacích také zpomalují hřídel. K tomu je nutné vytvořit zkrat, který způsobí protipůsobení a zpomalí rotaci.

K automatickému brzdění dochází, když rychlost větru překročí 50 km/h. Pokud rychlost vzroste na 80 km/h, lopatky se zcela zastaví. Konstrukce turbíny umožňuje co nejefektivnější využití větrné energie a dvojitou přeměnou energie získávat elektrický proud. Přítomnost baterie umožňuje používat elektrické spotřebiče i při naprosté absenci větru.

Některé konstrukce instalací jsou vybaveny senzorem větru, který shromažďuje informace o parametrech proudění vzduchu. Výstupní výkon větrné elektrárny bude nakonec záviset na výkonu připojeného střídače. Na základě tohoto ukazatele se určí maximální možný počet připojených zařízení. Pro zvýšení výstupního výkonu instalace se doporučuje zapojit několik střídačů paralelně. V třífázových systémech má každá fáze svůj vlastní střídač.

Klasifikace

Hlavní kritéria, která určují typy větrných turbín, jsou následující:

Rozdíl je v počtu lopatek. Vysokorychlostní a nízkorychlostní zařízení mají až 4 lopatky a zařízení se 4 a více lopatkami jsou nízkorychlostní zařízení s více lopatkami. Čím menší počet lopatek, tím vyšší otáčky motoru.
Jmenovitý výkon. Domácnost – do 15 kW, poloprůmyslová – od 15 do 100 kW, průmyslová – od 100 kW do 1 MW. Hranice mezi ukazateli jsou spíše podmíněné, takže se jednotky používají tam, kde je to skutečně nutné.
Směr osy. V konstrukcích se používají dva typy. V prvním případě se jedná o horizontální osu umístěnou kolmo k pohybu vzduchu, připomínající běžnou korouhvičku. Takové generátory se vyznačují vyšší účinností a rozumnou cenou. Druhou možností je vertikální osa, díky které se konstrukce generátoru stává kompaktnější. Nezávisí na směru větru a jeho lopatky jsou vyrobeny ve tvaru turbín. Zatížení osy je výrazně sníženo, proto je výkon takových instalací mnohem menší. Některé elektrárny současně používají několik generátorů s různými osami, spojených v síti, což umožňuje dosáhnout vysokého výkonu na relativně malé ploše.

Existuje samostatná klasifikace větrných elektráren podle jejich umístění. Mezi nimi lze rozlišit tři hlavní typy:

Pozemní instalace, které se staly nejrozšířenějšími. Montují se na kopcích a ve výškách, stejně jako na speciálně připravených místech. Stavba se provádí pomocí drahých zvedacích zařízení, protože všechny hlavní konstrukce jsou instalovány ve velké výšce. Několik zařízení je sloučeno do společného systému pomocí elektrických kabelů.
Pobřežní větrné elektrárny. Jsou postaveny v blízkosti pobřeží moří a oceánů. Provoz systému závisí na mořském vánku, který vytváří proudění vzduchu s určitou periodicitou. Samotný vánek vzniká v důsledku nerovnoměrného ohřevu povrchů vodních ploch a pevniny. Během dne se vzduch pohybuje ve směru od vody k pevnině a v noci naopak od pobřeží k vodní ploše. Elektřina se tak vyrábí nepřetržitě, bez jakéhokoli přerušení.
Větrné elektrárny na moři. Jsou instalovány v moři daleko od pobřeží, ve vzdálenosti 10-12 km. V tomto případě generátory využívají energii vytvořenou běžnými mořskými větry. Pro instalaci se používají úseky mořského dna nacházející se v malé hloubce. Základem konstrukce jsou piloty zaražené do země do hloubky až 30 m. Elektřina se na břeh přenáší pomocí podvodního kabelu.

Vlastnosti výběru

Hlavním kritériem, kterým se kupující řídí, je velikost větrné turbíny. Čím větší je její velikost, tím vyšší je generovaný výkon. Proto je při výběru větrných elektráren pro dům třeba předem vypočítat měsíční spotřebu energie. Získaný výsledek se vynásobí 12 měsíci.

Další výpočty pro soukromý dům se provádějí pomocí vzorce: AEO = 1.64 x D x D x V x V x V, kde AEO je ročně spotřebovaná elektřina, D je průměr rotoru v metrech, V je průměrná roční rychlost větru v m/s. Dosazením požadovaných hodnot lze snadno vypočítat rozměry požadované instalace.

Při nákupu elektrárny byste měli předem zvážit její umístění. V tomto případě se berou v úvahu následující faktory:

Oblast kolem generátoru musí být bez budov, konstrukcí, stromů a dalších faktorů, které snižují produktivitu instalace. Jakékoli existující rušení se nachází ve vzdálenosti nejméně 200 metrů od místa instalace.
Výška konstrukce pro montáž generátoru musí být alespoň o 2-3 metry vyšší než překážky v přilehlé oblasti.
Vzdálenost od obytných budov je nejméně 30-40 m, protože rotace lopatek vytváří určitý hluk, který způsobuje určité nepohodlí okolním lidem.
Je nutné zohlednit průměrné roční změny povětrnostních podmínek, kdy se na stejném místě bude v průběhu roku vyrábět různé množství elektřiny.

Výhody větrných generátorů

Větrné elektrárny se již dlouho používají v každodenním životě, výrobě a dalších oblastech.

Během této doby se nám podařilo identifikovat jejich hlavní pozitivní vlastnosti a výhody:

Větrná energie používaná pro větrné elektrárny je bezplatná a především obnovitelná. Zařízení neznečišťují životní prostředí a neemitují žádné škodlivé látky. Do budoucna se v Rusku plánuje ještě širší využívání ekologicky šetrných větrných elektráren, což sníží počet konvenčních instalací se škodlivými emisemi.
Závislost na dodávkách elektřiny z centrálních elektrických sítí se snižuje.
Široké perspektivy pro další rozvoj a implementaci nových progresivních technologií, a to nejsou poslední výhody těchto instalací.
Postupné snižování nákladů na výrobu energie, které je v počáteční fázi nezbytné. Za posledních 20 let se náklady na zařízení a komponenty snížily přibližně o 80 %. Větrná energie se stává nejziskovějším ze všech alternativních zdrojů elektřiny.
Větrné turbíny mají poměrně dlouhou životnost 20–30 let. Během této doby zůstává okolní krajina nepoškozena.
Snadná montáž a použití. Větrná elektrárna se sestavuje velmi rychle, náklady na opravy a údržbu jsou poměrně nízké. Vyrobená elektřina kvantitativně převyšuje vynaloženou větrnou energii přibližně 85krát. Ztráty při přenosu elektřiny jsou poměrně nízké.

Nevýhody větrných elektráren

Ideální zařízení v principu neexistují. To platí i pro větrné turbíny, které mají specifické nevýhody:

Větrné elektrárny mají značné počáteční investiční náklady, ty sice klesají, ale při plánování je nelze zcela vyloučit.
Nestálost a nepředvídatelnost síly a směru větrných proudů, což způsobuje kolísání množství vyrobené energie. Někdy může být bezvětří i několik dní a spotřebitelé zůstanou zcela bez elektřiny.
Pohyblivé části větrných turbín často zabíjejí ptáky a netopýry létající v blízkosti. Představují zvláštní nebezpečí v obdobích masové migrace. Proto stále dochází k určitému poškození životního prostředí, i když ne systémovému.
Provoz větrných generátorů je doprovázen neustálým nízkofrekvenčním šumem a téměř neslyšitelným infrazvukem. Tyto nevýhody větrných elektráren se mění v negativní faktory, které negativně ovlivňují člověka a způsobují únavu a nepohodlí. V některých případech mohou lopatky otáčející se vysokou rychlostí vést k rušení radaru a zkreslení televizních signálů.
Náklady na umístění jsou poměrně vysoké kvůli drahému pronájmu pozemků. Při použití velkého počtu větrných elektráren se tento faktor stává důležitým při výpočtu nákladů na elektřinu.