Větrná turbína – Ruwiki: Internetová encyklopedie

větrný generátor (větrná elektrárna nebo zkráceně WPP, větrná turbína) je zařízení pro přeměnu kinetické energie proudění větru na mechanickou energii otáčení rotoru s její následnou přeměnou na energii elektrickou.

Větrné turbíny lze rozdělit do tří kategorií: průmyslové, komerční a obytné (pro soukromé použití).

Průmyslové instaluje stát nebo velké energetické korporace. Obvykle jsou kombinovány do sítí, jejichž výsledkem je větrná elektrárna. Dříve se věřilo, že jsou zcela šetrné k životnímu prostředí, čímž se liší od tradičních. Lopatky větrných turbín jsou však vyrobeny z polymerního kompozitu, jehož opětovné použití a recyklace není nákladově efektivní. Otázka recyklace čepelí je v současné době otevřená.

Jediným důležitým požadavkem na větrnou elektrárnu je vysoká průměrná roční hladina větru. Výkon moderních větrných generátorů dosahuje 8 MW.

Výkon větrného generátoru závisí na síle proudění vzduchu (N), určeném rychlostí větru a zametací plochou N = p SV 3 / 4 /4> ,

kde: V je rychlost větru, p je hustota vzduchu, S je zametená oblast.

Typy větrných turbín [ editovat | upravit kód]

Existují klasifikace větrných generátorů podle počtu lopatek, podle materiálů, ze kterých jsou vyrobeny, podle osy otáčení a podle stoupání vrtule [1].

Existují dva hlavní typy větrných turbín:

• se svislou osou rotace („kolotoč“ – rotor (včetně „Savonius rotoru“, nebo přesněji „rotoru bratří Voroninů“) Začátkem října 1924 obdrželi ruští vynálezci bratři Ya. A. a A. A. Voroninovi sovětský patent na turbínu s příčným rotorem, v následujícím roce finský průmyslník Sigurd Savonius uspořádal tuto „turbinu“ masovou výrobu orbla thogonální – Darrieův rotor);
• s vodorovnou osou kruhového otáčení (lopatka). Mohou být vysokorychlostní s malým počtem lopatek nebo nízkorychlostní s více lopatkami, s účinností až 40 % [2].

Existují také bubnové a rotorové větrné turbíny [2].

Větrné turbíny obvykle používají tři lopatky k dosažení kompromisu mezi točivým momentem (se zvyšujícím se počtem lopatek se zvyšuje) a rychlostí rotace (s rostoucím počtem lopatek klesá) [3].

Výhody a nevýhody různých typů větrných turbín [ editovat | upravit kód]

Betzův zákon předpovídá, že faktor využití větrné energie (WEF) horizontálních, vrtulových a vertikálních osových turbín je omezen konstantou 0,593. K dnešnímu dni je faktor využití větrné energie dosahovaný horizontálními vrtulovými větrnými turbínami 0,4. V současné době je tento koeficient pro větrné generátory (větrné turbíny) GRC-Vertical 0,38. Experimentální studie ruských instalací s vertikální osou ukázaly, že dosažení hodnoty 0,4-0,45 je zcela reálný úkol. Koeficienty využití větrné energie u vrtulí s horizontální osou a větrných turbín s vertikální osou jsou tedy blízké [4].

Zařízení [upravit | upravit kód]

1. Větrná turbína namontovaná na stožáru s kotevními dráty a roztočená rotorem nebo lopatkami;
2. Elektrický generátor;

Přijatá elektrická energie jde do:

• Regulátor nabíjení baterie připojený k bateriím (obvykle 24V)
• Střídač (= 24V -> ~ 220V 50Hz) připojený k elektrické síti

Zařízení větrného generátoru

Skládá se z následujících částí:

1. Nadace
2. Napájecí skříň včetně výkonových stykačů a ovládacích obvodů
3. Věž
4. Schody
5. Otočný mechanismus
6. Gondola
7. Elektrický generátor
8. Systém sledování směru a rychlosti větru (anemometr)
9. Brzdový systém
10. Přenos
11. Lopatky (obvykle tři, protože dvoulisté rotory jsou vystaveny vysokému zatížení, když je pár lopatek svisle a více než tři lopatky vytvářejí nadměrný odpor vzduchu)
12. Systém pro změnu úhlu náběhu čepele
13. Kryt

• Hasicí systém
• Telekomunikační systém pro přenos dat o provozu větrného generátoru
• Systém ochrany před bleskem
• Pitch drive

Skládá se z následujících částí:

1. Malý DC motor (3-12V) (používá se jako generátor)
2. Silikonová usměrňovací dioda
3. Elektrolytický kondenzátor (1000uF 6V)

Efektivita[editovat | upravit kód]

Zákon zachování hmoty vyžaduje, aby množství vzduchu vstupujícího do turbíny a z ní vystupující bylo stejné. Podle toho Betzův zákon udává maximální dosažitelnou extrakci větrné energie větrnou turbínou jako 16/27 (59,3 %) rychlosti, kterou kinetická energie vzduchu dosáhne turbíny [6].

Maximální teoretický výstupní výkon větrného stroje se tedy rovná 16/27 kinetické energie vzduchu, která dosáhne efektivní plochy kotouče stroje za jednotku času. Pro efektivní plochu disku A a rychlost větru v je maximální teoretický výkon

Tření lopatek a odpor jsou hlavními faktory určujícími účinnost přenosu energie z větru do rotoru a následně i cenu energie generované větrnou turbínou [7]. Mezi další faktory, které snižují účinnost, patří ztráty v převodovce, generátoru a měniči. Od roku 2001 dodávaly turbíny připojené ke komerčním sítím mezi 75 % a 80 % svého maximálního výkonu, jak je stanoveno Betzovým zákonem, při jmenovité provozní rychlosti [8] [9].

Účinnost se může časem mírně snížit v důsledku prachu, povrchových defektů kotouče a hmyzu, které snižují zdvih kotouče. Analýza 3128 10 větrných turbín starších 1,2 let v Dánsku zjistila, že účinnost poloviny turbín se nesnížila, zatímco účinnost druhé poloviny klesla v průměru o 10 % ročně [XNUMX].

Obecně platí, že stabilnější a konzistentnější povětrnostní podmínky (zejména rychlost větru) vedou k průměrnému 15% zvýšení účinnosti ve srovnání s nestabilním počasím [11].

Bylo zjištěno, že různé materiály mají různé účinky na účinnost větrných turbín. V experimentu na Ege University byly zkonstruovány tři třílisté větrné turbíny o průměru 1 m z různých materiálů lopatek: skleněné vlákno a uhlíkové vlákno s epoxidovým pojivem, uhlíkové vlákno, sklo-polystyren. Testy ukázaly, že materiály s vyšší celkovou hmotností mají vyšší třecí moment a tudíž nižší účiník [12].

Problémy provozu průmyslových větrných turbín [ editovat | upravit kód]

Estinnes Wind Farm 11 × E-126 poblíž Estinnes, Belgie v červenci 2010, měsíc před dokončením elektrárny

Větrná farma Estinnes 11 × E-126 (11 × 7,5 MW) poblíž Estinnes v Belgii 10. října 2010.

V sekci nedostatek odkazů na zdroje (viz doporučení pro vyhledávání).

Informace musí být ověřitelné, jinak mohou být smazány. Článek můžete upravit přidáním odkazů na autoritativní zdroje ve formě poznámek pod čarou. (3. dubna 2016)

Průmyslový větrný generátor je postaven na připraveném místě za 7-10 dní. Získání regulačních povolení k výstavbě větrné farmy může trvat rok i déle. [13] Kromě toho je pro zdůvodnění výstavby větrné turbíny nebo větrného parku nutné provést dlouhodobé (nejméně roční) větrné studie v oblasti stavby. Tato opatření výrazně prodlužují dobu realizace projektů větrné energetiky.

Stavba vyžaduje cestu na staveniště, místo pro umístění jednotek při instalaci a těžká zvedací zařízení s dosahem výložníku více než 50 metrů, protože gondoly jsou instalovány ve výšce asi 50 metrů.

Při provozu průmyslových větrných generátorů vznikají různé problémy:

• Nesprávný návrh základů. Pokud je základ věže nesprávně navržen nebo není správně uspořádána drenáž základů, může věž spadnout v důsledku silného poryvu větru.
• Námraza lopatek a dalších částí generátoru. Námraza může zvýšit hmotnost lopatek a snížit účinnost větrného generátoru. Pro provoz v arktických oblastech musí být části větrného generátoru vyrobeny ze speciálních mrazuvzdorných materiálů. Kapaliny používané v generátoru nesmí zamrznout. Zařízení, které měří rychlost větru, může zamrznout. V tomto případě může být účinnost větrného generátoru vážně snížena. Kvůli námraze mohou přístroje vykazovat nízkou rychlost větru a rotor zůstane nehybný.
• Odpojení/porucha brzdového systému. V tomto případě čepel získá příliš velkou rychlost a v důsledku toho se zlomí.
• Odpojení. Při prudkém kolísání rychlosti větru se spustí elektrická ochrana zařízení obsažených v systému, což snižuje účinnost systému jako celku. U velkých větrných elektráren je také vysoká pravděpodobnost, že se spustí ochrana na odchozích elektrických vedeních.
• Nestabilita generátoru. Protože většina průmyslových větrných elektráren používá asynchronní generátory, jejich stabilní provoz závisí na stálosti napětí v přenosovém vedení.
• Požáry. K požárům může dojít v důsledku tření mezi rotujícími částmi uvnitř gondoly, úniku oleje z hydraulických systémů, přetržení kabelů atd. Požáry větrných turbín jsou vzácné, ale je obtížné je uhasit kvůli odlehlosti větrných elektráren a vysoké nadmořské výšce, ve které k požáru dochází. Moderní větrné turbíny jsou vybaveny hasicími systémy.
• Údery blesku. Úder blesku může způsobit požár. Na moderních větrných generátorech jsou instalovány systémy odstraňování blesků.
• Hluk a vibrace.

Slibný vývoj [ editovat | upravit kód]

Norská společnost StatoilHydro a německý koncern Siemens AG vyvinuly plovoucí větrné turbíny pro hlubokomořské stanice. StatoilHydro postavil demonstrační verzi 2,3 MW v červnu 2009.[14][15] Turbína zvaná Hywind, vyvinutá [15] společností Siemens Renewable Energy, váží 5 tun a je vysoká 300 metrů. Nachází se 65 kilometrů od ostrova Karmøy, nedaleko jihozápadního pobřeží Norska. Společnost plánuje do budoucna zvýšit výkon turbíny na 10 MW a průměr rotoru na 5 metrů. Podobný vývoj probíhá v USA.

Firma Magenn vyvinula speciální větrem rotující aerostat s nainstalovaným generátorem, který se sám tyčí do výšky 120-300 metrů. Není potřeba stavět věž a zabírat půdu. Zařízení pracuje v rozsahu rychlosti větru od 1 m/s do 28 m/s. Zařízení lze přemístit do větrných oblastí nebo rychle nainstalovat na místa katastrofy.

Windrotor nabízí výkonnou konstrukci rotoru turbíny, která umožňuje výrazné zvýšení jeho velikosti a účinnosti větrné energie. Očekává se, že tato konstrukce se stane novou generací rotorů větrných turbín. [ zdroj neuveden 4363 dní ]

V květnu 2009 byla v Německu společností Advanced Tower Systems (ATS) uvedena do provozu první větrná turbína instalovaná na hybridní věži. Spodní část věže, vysoká 76,5 metru, je postavena z železobetonu. Horní část vysoká 55 metrů je postavena z oceli. Celková výška větrné turbíny (včetně lopatek) je 180 metrů. Zvětšením výšky věže se zvýší výroba elektřiny až o 20 % [16].

Na konci roku 2010 španělské společnosti Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros a DIgSILENT Ibérica vytvořily skupinu pro společný vývoj 15,0 MW větrné turbíny [17].

Evropská unie vytvořila výzkumný projekt UpWind s cílem vyvinout pobřežní větrnou turbínu o výkonu 20 MW [18].

V roce 2013 japonská společnost Mitsui Ocean Development & Engineering Company vyvinula hybridní instalaci: větrná turbína a turbína poháněná přílivovou energií jsou instalovány na jedné plovoucí ose ve vodě [19].

Nejvýkonnější větrná turbína na světě je 14-222 DD od společnosti Siemens Gamesa (délka lopatek je 108 ma průměr 222 m), držitel rekordu v maximální výrobě elektřiny za den: 359 megawatthodin; 60 těchto turbín bude instalováno na větrné farmě Moray West v Moray Firth ve Skotsku. [20]

Hlavní výrobci [ upravit | upravit kód]

Tabulka 10 největších výrobců průmyslových větrných turbín v roce 2010 [21], MW:

číslo	Jméno	Země	Objem výroby, MW.
1	Vestas	Dánsko	5 842
2	Sinovel	Čína	4 386
3	GE Energy	United States	3 796
4	Zlatý vítr	Čína	3 740
5	Enercon	Německo	2 846
6	Suzlon Energy	Indie	2 736
7	Dongfang Electric	Čína	2 624
8	gamesa	Španělsko	2 587
9	Siemens Vítr	Německo	2 325
10	United Power	Čína	1 600

V roce 2014 dosáhla celková kapacita výrobců turbín 71 GW [22].

Ceny [ upravit | upravit kód]

Bloomberg New Energy Finance vypočítává index cen větrných turbín. Od roku 2008 do roku 2010 klesly průměrné ceny větrných turbín o 15 %. V roce 2008 byla průměrná cena větrné turbíny 1,22 milionu eur za 1 MW kapacity.

V srpnu 2010 byla průměrná cena jednoho MW větrné turbíny 1,04 milionu eur [23].

V roce 2021 se náklady zvýšily na 4 miliony eur (Německo, stavba u města Flöte).