Jak jsou užitečné větrné elektrárny?

Větrné elektrárny jsou považovány za možná nejekologičtější způsob výroby energie. Nevyžadují fosilní paliva a neprodukují škodlivé emise. Přesto z nich stále existuje škoda. Větrné turbíny zabíjejí ptáky a netopýry. Dalším problémem jsou vibrace a infrazvuk. Infrazvuk je pro člověka škodlivý. Navíc rozhání hrabající hlodavce – polní myši, krtky, ježky – a to vede k přemnožení škůdců.

Pokud lze vibrace ještě minimalizovat pomocí vyvážení, pak je infrazvuk při provozu nejběžnějšího třílistého větrného generátoru nevyhnutelný – vzniká, když se od lopatek odlomí víry a zatím neexistuje způsob, jak se ho zbavit.

Když je větrná turbína zničena, trosky se šíří až stovky metrů. Proto je například v Evropě limit 300 metrů od stožáru generátoru k nejbližšímu krytu a interval mezi instalacemi musí být alespoň 10 průměrů větrného kola – aby nedocházelo k dominovému efektu.

Všechna tato omezení se však plně vztahují pouze na větrné turbíny mlýnského typu, jejichž podíl ve světě dnes činí asi 95 %. Hlavní problémy větrné energetiky lze vyřešit využitím turbíny leteckého typu vyvinuté ruskou společností Optiflame Solutions, která díky svému výzkumu získala grant od Skolkovo Innovation Foundation.

„Trh klasických třílistých větrných generátorů je dlouhodobě zavedená technologie, jako jsou spalovací motory,“ říká Vladimír Kanin, ředitel vývoje společnosti. — Trh je rozdělený a je trochu nepohodlné vymýšlet něco nového. Globální výrobci jsou dávno etablovaní, nikdo jim nešlape na paty, pokračují ve výrobě 65metrových monster. Větrné turbíny vyráběné v současnosti však mají vážná omezení – pokud jde o minimální vzdálenost od obytných oblastí, nízkofrekvenční vibrace, elektromagnetické záření a problémy, které způsobují ptákům a netopýrům. Pokud do cesty ptačí migrace postavíte větrný mlýn, bude to samozřejmě mlýnek na maso. Pták nevnímá větrný mlýn s lopatkami jako nebezpečí. Čepele vnímá jako samostatné hole, mezi kterými může létat.

— Ale první otázka, která vyvstává, je, proč není větrný generátor tam, kde je potřeba? Na střechách domů, v soukromých vesnicích – všude tam, kde je spotřebitel. A naše otázka přesně zněla – jak přiblížit větrný mlýn spotřebiteli. Přitom je potřeba vyřešit přesně tři problémy: nízké frekvence, ochrana před zničením, ochrana před mechanickým nebezpečím pro ptáky a samozřejmě pro lidi.

Tři křídla

Větrná farma vyžaduje nejen větrný generátor, ale také infrastrukturu. Jedná se o baterie a elektrická zařízení pro přeměnu proudu na průmyslový standard 220 voltů – 50 hertzů. Jedná se o přenosové vodiče, které jsou pro větrné turbíny odcizené od země, často je nutné zařadit systém do stávající elektrické sítě. Větrné turbíny potřebují ochranu (aby je, jak Kanin poznamenal, průkopníci neodtáhli do šrotu). To vše větrnou elektrárnu prodražuje a její cena bude tím vyšší, čím dále bude od bydlení.

„Obchodní problém byl postaven takto,“ pokračuje Kanin, „dva alternativní vědecké týmy musely potvrdit nebo vyvrátit životaschopnost této myšlenky. To znamená, že předložte hrubé výpočty větrné turbíny – i na úkor účinnosti, s výkonem o 10% nižším než u analogů, ale který by vyřešil hlavní problémy větrných generátorů.

Kromě technických parametrů musí mít instalace určité spotřebitelské vlastnosti. Jedním z hlavních je velikost. Je jasné, že větrnou turbínu s lopatkami 40 metrů nelze nainstalovat na střechu devítipatrové budovy. Další důležitou vlastností je instalační výkon. Dále jsou to parametry, jako je minimální rychlost větru, při které větrný mlýn začne pracovat, a maximální, při které ještě funguje, a také hladina hluku, která musí splňovat hygienické normy.

„Samozřejmě, že větrný generátor, který se točí ve větru o rychlosti 2 metry za sekundu, vyprodukuje extrémně málo energie,“ říká Kanin. – Ale pokud se bavíme o nabíjení baterie, tak jaký rozdíl to pro nás znamená – pár wattů je lepších než nula. Ale gigantické průmyslové větrné mlýny nestlačí ani 4-5 metrů větru, musí se roztočit speciálním motorem.

Za dva roky od zahájení práce na podnikatelském nápadu v roce 2008 tým vývojářů Optiflame Solutions pod vedením vědeckého supervizora projektu, kandidáta fyzikálních a matematických věd Sergeje Dudnikova a vědeckého supervizora aerodynamiky, profesora Petrohradu Polytechnická univerzita Rudolfa Izmailova, byla vytvořena a testována v aerodynamickém tunelu je funkční prototyp větrného generátoru v tuhém plášti o průměru půl metru. Větrný generátor je letecká turbína. Úspěšné testování prototypu umožnilo vytvořit model větrného generátoru o průměru 2 metry s instalovaným výkonem 1 kilowatt, maximálně 2 kilowatty. Navrhuje se větrná turbína o průměru 6,4 metru, jmenovitém výkonu 5 kilowattů a maximálně 10. V plánu je vytvoření generátoru o průměru 20 metrů o výkonu 50 až 100 kilowattů.

Konstrukci tvoří rotor s 32 lopatkami uzavřený v plášti – tuhém těle, které se stalo vykonavatelem hlavního bezpečnostního požadavku v případě zničení lopatky. V přední části je rotor uzavřen vodicí lopatkou, která se skládá z přední kapotáže a stejných lopatek jako u rotoru, ale pevně fixovaných. Rozváděcí lopatka tvoří proud vzduchu v turbíně a zároveň slouží jako ochranná mřížka – „radiátor“ – pro rotující lopatky.

„Díky speciální konstrukci vodicí lopatky,“ říká Kanin, „se nám podařilo nejen neztratit účinnost větrného generátoru ve srovnání s klasickým třílistým analogem, ale také ji výrazně zvýšit. A protože máme v rotoru 32 lopatek, pak je v „radiátoru“ 32 ochranných lopatek – nemůžeme říci, že tam nemůžete vůbec strčit ruku, ale chrání před náhodným dotykem, a kočka rozhodně neprojde. A ochrana, která bude fungovat proti ptákům a kočkám, platí i proti dětem, elektrikářům nebo hospodyňkám, které se rozhodnou hrát si na střeše s ventilátorem.

„Jak přesně se naše účinnost liší od té klasické, bude možné říci na konci léta, kdy testujeme dvoumetrový model. Zatím na základě výsledků testování půlmetrového modelu soudíme, že účinnost bude o 20-30 % vyšší,“ potvrdil slova svého kolegy Sergej Dudnikov. “Ale stále považujeme za hlavní věc ne efektivitu, ale bezpečnost našeho větrného mlýna.” Pokud se „rozdivočí“, kolo rotoru se jednoduše zasekne ve skořápce a nikde nic nevyletí. Díky pevné vodicí lamele je také v bezpečí před fasádou.

Zvýšením rychlosti otáčení turbínového větrného generátoru bylo možné vyřešit problém nízkofrekvenčních oscilací. Podle Vladimira Kanina byl zvláštní důraz kladen na to, aby se veškerý hluk produkovaný rotorem dostal do slyšitelné oblasti zvukového spektra. Hladina hluku byla omezena na 35 decibelů při rychlosti větru 10 metrů za sekundu, což je v rámci normy. Pro obytné prostory v noci je to 30 decibelů, přes den – 40. Limit hladiny hluku pro kancelářské prostory je podle evropských norem 55 decibelů.

“Když se rychlost otáčení zvýší, v silném větru se zvýší tón zvuku, ale ne jeho síla,” ujistil Kanin.

Hmotnost instalací bude nízká, protože čepele jsou vyrobeny z plastu, nikoli z kovu. U dvoumetrové turbíny – 90-95 kilogramů by pětikilowattová turbína o průměru 6,4 metru neměla vážit více než 200 kilogramů.

Přes léto společnost plánuje postavit pilotní várku 5-10kilowattových generátorů a poslat je k provoznímu testování. Po testování a případných úpravách bude rozhodnuto o otázce uvedení do sériové výroby.

„Pokud nám, řekněme, výrobce v Německu nebo jiné zemi řekne, že je připraven vyrobit a prodat 1000 kusů ročně, pak tam postavíme montážní linku,“ řekl Kanin.

Výkonnější model turbíny, 5 kilowattů, je plánován na výrobu v pilotní sérii v příštím roce. To je přesně ten větrný generátor, který se může stát základem pro samostatný soukromý dům nebo farmu.

„Pokud mluvíme o Rusku, pak pro soukromý dům bychom doporučili náš model 5000 – to je pět kilowattů instalačního výkonu při 10 metrech za sekundu,“ říká Kanin. — Naše spotřeba energie v Rusku je, ne-li o řád, pak o půl řádu vyšší než spotřeba energie v Asii a o řád vyšší než v Africe. Podle našich výpočtů bude těchto 5 kilowattů stačit pro rodinu s průměrnou úrovní spotřeby energie – osvětlení, lednička, počítač, topení. Pokud se dům nachází ve větrné oblasti, například na vrcholu kopce, pak není potřeba ani stožár – turbínu lze umístit na střechu. Pokud je vítr na dvoře malý, bude potřeba stožár – 20 nebo 30 metrů.

Standardní odhad nákladů na větrný generátor je cena za kilowatt instalovaného výkonu. U malých větrných turbín v Evropě se cena 2500-3000 eur považuje za dobrou, pokud je 2300 naprosto úžasných. Protože konkurence na trhu s větrnými generátory neustále roste, cena má tendenci klesat – i když ne rychle, poptávka je poměrně velká. Loni bylo v USA instalováno asi 40 tisíc malých instalací (do sta kilowattů), v Číně 40 tisíc, v Německu 15-20 tisíc.

„Cenu jsme schopni nastavit pod spodní hranici,“ říká Vladimír Kanin. — U pětikilowattové větrné turbíny odhadujeme cenu kolem 10 tisíc dolarů.

„Po celém světě leží ladem desítky milionů vysokých střech. Běžné větrné mlýny tam nelze instalovat. Ale ten náš je možný! A brzy to začneme dokazovat v praxi,“ shrnul Sergej Dudnikov.

• Časopis “Kommersant Science” č. 3 ze dne 27.06.2011. října 38, strana XNUMX

Přírodní zdroje, které byly po staletí klíčovými zdroji energie, neustále ubývají. S paralelním nárůstem jejich nákladů to nutí lidstvo aktivně hledat alternativní řešení. Vědci a inženýři po celém světě se po desetiletí snaží vytěžit maximum energie ze slunečních paprsků, přirozeného pohybu vodních ploch řek a kanálů a také z poryvů větru.

Jednou z nejúspěšnějších možností, jak zajistit potřebnou účinnost po celý rok a téměř ve všech koutech planety, jsou větrné generátory. Umožňují zařídit pohodlný život v soukromém domě, organizovat technologické cykly podniku a dokonce pohánět celé město. Princip fungování těchto elektráren a jejich výhody ve srovnání s jinými alternativními zdroji energie budou diskutovány níže.

Konstrukční prvky větrné elektrárny

Konstrukce zařízení využívajících volný zdroj energie je vcelku jednoduchá. Větrná elektrárna se skládá z lopatek, stožáru, elektrického generátoru a přídavných zařízení, která zajišťují přeměnu, akumulaci a přenos elektrické energie ke spotřebitelům.

Velikost a konfigurace lopatek určuje účinnost jejich rotace ve vztahu k síle větru. Turbína plní roli měniče mechanického pohybu (rotace) na elektrickou energii. Existují úpravy větrných generátorů, které poskytují možnost skládání stožárů, což zjednodušuje údržbu zařízení.

Princip činnosti větrných generátorů

Provoz větrných turbín je založen na principu přeměny mechanické energie na elektrické napětí. Při otáčení lopatek vlivem proudění větru vzniká kinetická energie, která uvádí do pohybu prvky generátoru, skládající se z pohyblivých (rotor) a stacionárních (stator) částí. Při otáčení rotoru se kolem něj vytváří magnetické pole, které zajišťuje generování elektrického proudu ve vinutí statoru. Dále je napětí přiváděno do převodníku a poté do akumulátorů nebo do spotřebitelské sítě.

Výše uvedený princip fungování je základem pro téměř všechny modely větrných generátorů. Přítomnost baterie v systému zajišťuje napájení, když je klid nebo nedostatečná síla větru k ovlivnění listů. Designéři se snaží vyhovět různým provozním situacím, aby zajistili, že systémy budou fungovat v maximálním rozsahu nepředvídatelných povětrnostních podmínek.

Klíčové výhody větrných generátorů

• Absolutní bezpečnost. Tradiční zdroje energie, které nyní napájejí 98 % všech měst na světě, jako vedlejší efekt produkují miliardy krychlových metrů toxických plynů a dalšího odpadu, který způsobuje obrovské škody ekologické situaci planety. Větrný mlýn během provozu nevypouští žádné škodlivé látky, což z něj činí absolutně čistý zdroj energie. Jeho práce zůstává téměř nepostřehnutelná, nemění sílu ani směr proudění větru a pečlivě se přizpůsobuje jejich proudění.
• Maximální účinnost. Větrný generátor nespotřebovává prakticky žádné zdroje, kromě nákladů na pravidelnou údržbu. Nepotřebuje palivo, jako jiné vyčerpatelné zásoby. Jednotka vyrábí elektrickou energii doslova ze vzduchu, aniž by ji využívala jako jakýkoli jiný tradiční zdroj. Díky této vlastnosti jsou větrné turbíny považovány za jednu z nejperspektivnějších oblastí komerční energetiky.
• Spolehlivost. Větrné elektrárny jsou navrženy tak, aby vydržely desítky i více let. K dosažení takových cílů se používají moderní slitiny, vysokopevnostní polymerní kompozity a také kombinace různých materiálů odolných proti opotřebení, které jsou odolné vůči korozi, kyselinám, solím a dalším agresivním prostředím.
• Cenově efektivní. Větrné generátory mají vysokou účinnost, protože jejich provoz vyžaduje minimální náklady. Kombinace nízkých nákladů na vyrobenou energii a možného příjmu z jejího prodeje plně vysvětluje proveditelnost využití těchto alternativních zdrojů.
• Snadná montáž a instalace. Instalace modelů pro domácnost může být provedena nezávisle za předpokladu, že máte příslušné znalosti a dovednosti v práci s elektrickými sítěmi a zařízeními. Důležitým faktorem je, že větrnou elektrárnu lze kdykoliv modernizovat, změnit počet baterií, rozšířit systém, zvýšit počet spotřebitelů a upravit další parametry. Všechny práce navíc mohou provádět 1–2 kvalifikovaní specialisté.
• pohodlí. Významnou nevýhodou prvních větrných generátorů byly silné vibrace a hluk, které vytvářely při výrobě elektrické energie. Použití moderních technických řešení umožnilo snížit tyto nedostatky na minimum. Moderní větrné turbíny se vyznačují minimálními vibracemi a úrovní rušení.
• Žádné přísné požadavky. Na rozdíl od jiných zařízení na výrobu energie mohou být větrné generátory instalovány na jakémkoli otevřeném soukromém pozemku, pokud není bráněno proudění vzduchu. K umístění na soukromém pozemku nejsou potřeba vůbec žádná povolení, jedinou výjimkou jsou velmi velké stavby.

Produktivní kapacita

Moderní větrné turbíny nevyžadují silný vítr k výrobě dostatečného množství energie pro napájení malého domu. Použití vysoce pevných a lehkých materiálů, stejně jako moderní vývoj v konstrukci lopatek, umožnilo zajistit jejich výkon v podmínkách minimálního proudění vzduchu. K otáčení inovativních modelů a tím i k výrobě energie stačí rychlost větru 1,5–2 m/s. Můžeme s naprostou jistotou říci, že větrné generátory budou moci být účinné v celém Rusku po celý rok.

Výkon větrných elektráren se neustále zlepšuje a moderní modely lze použít pro nejrůznější účely. Pro domácí potřebu se nejčastěji objednávají elektrocentrály s výkonem do 100 kW. Zařízení pro průmyslová zařízení a komerční aktivity jsou schopna generovat více než 5 MW. Zpravidla se jedná o masivní konstrukce, jejichž rozpětí čepele může být 10 metrů i více. Pokud uvažujeme o větrné elektrárně pro jednotlivý dům, kde je přítomno pouze vybavení domácnosti, optimálním řešením by byla instalace s napětím 220 V a výkonem cca 2–10 kW.

Typy větrných elektráren

Podle trajektorie rotace lopatek se větrné elektrárny dělí na dva typy

1. Horizontální větrné elektrárnymají klasický design, který lze vidět na letadlech nebo běžných domácích ventilátorech. Většina modelů je vybavena třemi lopatkami. Tato odrůda je nejoblíbenější díky optimálnímu poměru cena/výkon. Při nejnižších nákladech vám větrné turbíny tohoto typu umožňují získat maximální návratnost z proudů vzduchu. Rychlost struktur závisí na tvaru lopatek a materiálu, ze kterého jsou vyrobeny. Čím vyšší je tento ukazatel, tím levnější je požadovaný generátor. Výsledkem je výrazné snížení celkových nákladů a nákladů na údržbu.
2. Vertikální Větrné turbíny jsou neobvyklé konstrukce, jejichž křídla jsou umístěna rovnoběžně s osou stožáru. Výhodou větrných elektráren tohoto typu je úspora vzdušného prostoru. Z hlediska účinnosti jsou však výrazně horší než horizontální instalace. Zároveň existuje široká škála modifikací, jejichž vlastnosti jsou co nejblíže konkurenčním verzím. S vysokou účinností tento druh výrazně ztrácí na velikosti. Pro získání podobného výkonu je nutná instalace 2-3krát větší ve srovnání s horizontální verzí, což výrazně zvyšuje jejich náklady.

Máte-li jakékoli dotazy týkající se nákupu a provozu těchto jednotek, vždy se můžete spolehnout na podporu našich odborníků. Zkušení specialisté pomohou s výběrem a výpočty optimální sady zařízení. V případě potřeby provedou specialisté také instalační práce a údržbu. Nákupem větrných generátorů od nás získáte maximální výhody a vysokou kvalitu.