Jak funguje větrný generátor jednoduchými slovy?

Potřeba šetřit přírodní zdroje nutí většinu zemí hledat alternativní zdroje elektřiny. Jedním z těchto zdrojů je větrná energie, pomocí které lze vyrábět elektrickou energii v objemech dostatečných pro uspokojení potřeb domácích spotřebitelů i průmyslových podniků. Základem konstrukce pro výrobu elektřiny z větru je generátor namontovaný na stožáru.

Zařízení větrného generátoru

Návrh větrné elektrárny zahrnuje následující prvky:

• Generátor;
• Stožár;
• Čepele;
• Anemometr;
• Nabíjecí baterie;
• zařízení ATS (automatický přepínač přenosu);
• Transformátor.

Jak funguje větrná elektrárna?

Princip fungování větrné elektrárny je založen na přeměně energie větru na rotační pohyb turbíny. To se děje pomocí lopatek (rotoru). Vítr sleduje obrys lopatek a způsobuje jejich rotaci.

Moderní větrné elektrárny mají tři lopatky. Jejich délka může dosáhnout 56 metrů. Rychlost otáčení se pohybuje od 12-24 ot./min. Pro zvýšení rychlosti otáčení se používají převodovky. Výkon moderních větrných generátorů může dosáhnout 750 kW.

Anemometr je určen k měření rychlosti větru. Je namontován na zadní straně skříně turbíny. Informace o rychlosti větru analyzuje vestavěný počítač, aby se vyrobilo co největší množství elektřiny.

Konstrukce větrné farmy může fungovat při rychlosti větru 4 metry za sekundu. Když rychlost větru dosáhne 25 metrů za sekundu, větrné elektrárny, které jsou založeny na využívání větrné energie, se automaticky vypnou. Nekontrolované otáčení lopatek při silném větru je jednou z příčin nehod a zničení větrné turbíny.

Transformátor převádí napětí na hodnoty potřebné k přepravě elektřiny ke spotřebiteli po drátech elektrického vedení. Transformátory jsou obvykle instalovány na základně stožáru

Stožár je důležitým konstrukčním prvkem větrné farmy. Výkon generátoru závisí na jeho výšce. Výška stožáru moderních větrných turbín se pohybuje od 70-120 metrů. Některé návrhy zahrnují přistávací plochy pro vrtulníky.

Instalace větrných generátorů

Jednou z nezbytných podmínek pro plnohodnotný provoz zařízení je výběr vhodného místa pro jeho umístění. V ideálním případě by to mělo být vyvýšené místo s vysokou rychlostí větru a nízkou turbulencí.

Pokud je poblíž les, sníží se tím účinnost větrného generátoru. Absence blízkého nadzemního elektrického vedení neumožní přesměrovat vyrobenou elektřinu ke spotřebitelům.

Problémy způsobené provozem větrných elektráren

Navzdory skutečnosti, že větrné turbíny jsou slibným způsobem výroby elektřiny, existuje mnoho problémů spojených s jejich provozem. Zejména v evropských zemích, kde se větrná energie aktivně zavádí, si mnoho lidí stěžuje na nepohodlí způsobené blízkostí větrných turbín.

Ve většině zemí neexistují zákony, které by jasně definovaly, v jaké vzdálenosti od obytných budov mohou být umístěny. Někdy je větrný generátor vidět již ve vzdálenosti 200-250 metrů od domu. Lidé si stěžují na velký hluk, který je slyšet stovky metrů kolem. Stín rotujících lopatek větrné turbíny může být vržen na několik kilometrů. To způsobuje vážné psychické nepohodlí.

Problémy jsou způsobeny tím, že plnohodnotné využívání větrné energie začalo relativně nedávno. Výkonné větrné generátory se dříve nepoužívaly. Jejich plný dopad na člověka proto nebyl studován. V současné době se připravují zákony, které mají minimalizovat nepohodlí z provozu těchto mechanismů.

Omlouváme se, JavaScript je ve vašem prohlížeči zakázán nebo požadovaný přehrávač není k dispozici.
Můžete si stáhnout video nebo stáhnout přehrávač a přehrát video ve vašem prohlížeči.

Provoz větrného generátoru

Průmyslové větrné turbíny v Severním moři

Vítr roztáčí rotor. Vyrobená elektřina je dodávána přes regulátor do baterií. Střídač převádí napětí na svorkách baterie na použitelné napětí

větrný generátor (větrná elektroinstalace nebo zkráceně větrná turbína) je zařízení pro přeměnu kinetické energie větru na energii elektrickou.

Větrné generátory lze rozdělit do dvou kategorií: průmyslové a domácí (pro soukromé použití). Průmyslové instaluje stát nebo velké energetické korporace. Zpravidla se spojují do sítě a výsledkem je větrná elektrárna. Jeho hlavním rozdílem od tradičních (tepelných, jaderných) je naprostá absence jak surovin, tak odpadu. Jediným důležitým požadavkem na větrnou elektrárnu je vysoká průměrná roční hladina větru. Výkon moderních větrných generátorů dosahuje 7,5 MW (viz Enercon E-126) [1].

Výkon větrného generátoru závisí na rychlosti větru a zametané oblasti,

kde- rychlost větru, – hustota vzduchu, – zametená oblast.

Konstrukce malé větrné turbíny

1. Rotor; čepele; větrná turbína; ocas orientující rotor proti větru
2. Generátor
3. Stožár s chlapy
4. Regulátor nabíjení baterie
5. Baterie (obvykle bezúdržbové 24 V)
6. Invertor (= 24 V -> ~ 220 V 50 Hz)
7. Síť

Některé moderní domácí UPS mají modul pro připojení stejnosměrného zdroje speciálně pro práci se solárními panely nebo větrnými generátory. Tímto způsobem může být větrný generátor součástí systému napájení domácnosti a snižuje spotřebu energie z elektrické sítě.

Design průmyslové větrné turbíny

Zařízení větrného generátoru

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. Čepele
12. Systém pro změnu úhlu náběhu čepele
13. Víko rotoru

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

Typy větrných turbín

Existují dva hlavní typy větrných turbín: vertikální a horizontální.

Průmysl domácích větrných generátorů se aktivně rozvíjí. Již nyní si za poměrně rozumné peníze můžete pořídit větrnou turbínu a zajistit svému venkovskému domu energetickou nezávislost na mnoho let. Pro dodávku elektřiny do malého domu obvykle stačí instalace o jmenovitém výkonu 1 kW při rychlosti větru 8 m/s. Pokud není oblast větrná, lze větrný generátor doplnit fotovoltaickými články nebo dieselagregátem a větrné generátory s vertikálními osami lze doplnit menšími větrnými generátory (např. turbínu Darrieus lze doplnit rotorem Savonius. A jedno se neruší – prameny se budou skvěle doplňovat ).

Problémy provozu průmyslových větrných generátorů

11 × E-126 z belgické větrné farmy Estinnes v červenci 2010, měsíc před dokončením stanice

11 × E-126 (11 × 7,5 MW) belgické větrné farmy Estinnes dne 10. října 2010.

Průmyslový větrný generátor je postaven na připraveném místě za 7–10 dní. Získání regulačních povolení k výstavbě větrné farmy může trvat rok i déle. Kromě toho je pro zdůvodnění výstavby větrné turbíny nebo větrné farmy nutné provádět dlouhodobý (alespoň rok) větrný výzkum 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.
• Údery blesku. Úder blesku může způsobit požár. Na moderních větrných generátorech jsou instalovány systémy odstraňování blesků.
• Vypnutí. Při prudkém kolísání rychlosti větru se spouští elektrická ochrana zařízení obsažených v systému, což snižuje účinnost systému jako celku. U velkých větrných elektráren je také vysoká pravděpodobnost spuštění ochrany na odchozích elektrických vedeních.
• Nestabilita provozu generátoru. Vzhledem k tomu, že většina průmyslových větrných elektráren používá asynchronní generátory, jejich stabilní provoz závisí na konstantním napětí v elektrických vedeních.
• Požáry. K požárům může dojít v důsledku tření rotujících částí uvnitř gondoly, úniku oleje z hydraulických systémů, zlomených kabelů atd. Požáry větrných turbín jsou vzácné, ale je obtížné je uhasit kvůli odlehlosti větrných elektráren a vysoké nadmořské výšce, ve které dojde k požáru. Na moderních větrných generátorech jsou instalovány hasicí systémy.
• Odpojení/porucha brzdového systému. V tomto případě čepel nabere příliš velkou rychlost a v důsledku toho praskne.

Slibný vývoj

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

Společnost Magenn vyvinula speciální zařízení s nainstalovaným větrným 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 v oblastech postižených katastrofou.

Windrotor nabízí vysoce výkonnou konstrukci rotoru turbíny, která může výrazně zvýšit jeho velikost a efektivitu využití větrné energie. Očekává se, že tato konstrukce se stane příští generací rotorů větrných turbín.

Na konci roku 2007 oznámilo americké ministerstvo energetiky (DoE) připravenost financovat zejména malé (do 5 kW) větrné generátory pro osobní potřebu.

V květnu 2009 byl v Německu uveden do provozu první větrný generátor instalovaný na hybridní věži od Advanced Tower Systems (ATS). Spodní část věže, vysoká 76,5 metru, je postavena z železobetonu. Horní část je 55 metrů vysoká a je vyrobena z oceli. Celková výška větrného generátoru (včetně lopatek) je 180 metrů. Zvětšením výšky věže se zvýší výroba elektřiny až o 20 % [4].

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 [5].

Evropská unie vytvořila výzkumný projekt UpWind na vývoj pobřežní větrné turbíny o výkonu 20,0 MW [6] .

Ceny

Bloomberg New Energy Finance vypočítává index cen větrných turbín. Od roku 2008 do roku 2010 se průměrné ceny větrných turbín snížily o 15 %. V roce 2008 byla průměrná cena větrného generátoru 1,22 milionu EUR za 1 MW výkonu. V srpnu 2010 byla průměrná cena jednoho MW větrného generátoru 1,04 milionu EUR [7].

Největší producenti v roce 2010

číslo	Jméno	Země	Objem výroby, MW.
1	Vestas	Dánsko	5842
2	Sinovel	Čína	4386
3	GE Energy	United States	3796
4	Zlatý vítr	Čína	3740
5	Enercon	Německo	2846
6	Suzlon Energy	Indie	2736
7	Dongfang Electric	Čína	2624
8	gamesa	Španělsko	2587
9	Siemens Vítr	Německo	2325
10	United Power	Čína	1600

Tabulka: 10 největších výrobců průmyslových větrných generátorů v roce 2010, MW. [8].