Jak se správně nazývá věc, která se otáčí ve větru?

Větrná turbína (větrná elektrárna), známá také jako větrný generátor, je mechanické zařízení, které přeměňuje kinetickou energii generovanou větrem na elektrickou energii.

Dlouholeté zkušenosti s provozem a testováním větrných turbín vyústily v aerodynamicky navržený design, který kombinuje výkon, hospodárnost a škálovatelnost.

Lopatky větrných turbín hrají důležitou roli a jejich tvar, úhel, hmotnost a použité materiály mohou mít velký vliv na účinnost turbíny při výrobě elektřiny.

Lopatky větrné turbíny musí mít aerodynamický profil, aby vytvářely vztlak a generovaly maximální točivý moment pro otáčení turbíny a hnacích generátorů. Tvar listu větrné turbíny je tedy životně důležitý pro základní fungování stroje.

1. Jak ovlivňuje délka lopatky větrnou elektrárnu?

Větrná turbína s delšími lopatkami bude schopna zachytit více dostupného větru než kratší lopatky, a to i v oblastech s relativně slabým větrem. Schopnost sbírat více větru při nižších rychlostech větru by mohla zvýšit počet oblastí dostupných pro větrnou energii.

2. Jak dlouhé jsou lopatky větrné turbíny?

Dnes jsou nejběžnější průmyslové větrné turbíny vysoké asi 70 metrů. Jejich výkon závisí na velikosti a výšce, ale obvykle se pohybuje od jednoho do pěti megawattů

Lopatky těchto větrných turbín jsou v průměru dlouhé asi 50 metrů, což jim umožňuje pokrýt větší plochu, zachytit více větru a vyrobit více elektřiny.

Nejdelší lopatky větrných turbín na světě do letošního roku vyráběla společnost LM Wind Power – 107 metrů. Rekordmanem tohoto parametru jsou v tuto chvíli větrné turbíny Siemens Gamesa Renewable Energy o výkonu 14 MW, které využívají 108metrové lopatky.

V současné době se vyvíjejí delší čepele. Dánský výrobce větrných turbín Vestas tedy plánuje letos otestovat 115,5 metru dlouhý list rotoru pro nový prototyp větrné turbíny V236-15,0 MW ve Fraunhoferově institutu pro systémy větrné energie IWES v Bremerhavenu v Německu. Očekává se, že tyto větrné turbíny budou postaveny a uvedeny do komerčního provozu v roce 2024.

3. Jaký je nejlepší tvar lopatky větrného mlýna?

Čím rychleji fouká vítr, tím větší vztlak se vytváří na čepeli, proto je rotace rychlejší. Výhody zakřiveného listu rotoru oproti plochému listu jsou v tom, že zdvih umožňuje, aby se špičky lopatek větrné turbíny pohybovaly rychleji, než se pohybuje vítr, čímž vzniká větší výkon a vyšší účinnost.

Mírně zakřivené lopatky turbíny mohou zachytit o 5-10 % více větrné energie. Zakřivené lopatky také fungují efektivněji v oblastech s nižší rychlostí větru.

Optimální tvar lopatky větrné turbíny je zakřivená lopatka, protože tento tvar umožňuje vyšší rychlosti otáčení, což je ideální pro výrobu energie.

Zakřivený tvar lopatky generuje vztlak díky nízkému tlaku vzduchu generovanému na straně s největším zakřivením a vysokotlakým silám vzduchu na druhé straně profilu lopatky. Tyto dvě síly vytvářejí vztlakovou sílu kolmou na proudění vzduchu přes lopatky turbíny.

Dobře navržená lopatka rotoru turbíny vytvoří přesné množství zdvihu a tahu, které poskytuje optimální vzduchovou retardaci pro zlepšení účinnosti lopatky.

4. Měly by být lopatky větrné turbíny těžké nebo lehké?

Lopatky větrných turbín musí být lehké, protože jsou účinnější, když jsou lehčí. To usnadňuje montáž a demontáž větrných turbín a také usnadňuje jejich otáčení, čímž se zvyšuje jejich výkon. Zatímco lehké systémy s vysokou pevností materiálu jsou ideální, snížení hmotnosti může vést ke zvýšenému riziku selhání konstrukce.

Velké větrné turbíny s těžkými lopatkami mohou také negativně ovlivnit místní volně žijící zvířata, zejména hejna stěhovavých ptáků, kteří se zachytí lopatkami a zemřou.

Stejně jako u většiny mechanických systémů je běžné vyvažování pevnosti a hmotnosti pro celkový výkon.

5. Jaký je nejlepší úhel pro lopatky větrných turbín?

Pro každou rychlost větru existuje optimální úhel lopatky, při kterém je výkon generovaný větrným generátorem maximální. Tento optimální úhel závisí na rychlosti větru. Například úhel náklonu 5° je optimální pro větrný generátor při provozní rychlosti 7 m/s pro optimální výrobu energie, 20° při 15,1 m/s a 30° při 25,1 m/s. Provoz větrného generátoru pod jinými úhly vede ke snížení výkonu.

Tah se zvyšuje s rostoucí rychlostí přicházejícího proudu vzduchu v důsledku většího přenosu hybnosti. Tah se snižuje se zvyšujícím se úhlem lopatky v důsledku zmenšení přední plochy a tím i snížení odporu lopatky.

6. Proč mají větrné turbíny pouze tři lopatky?

Lopatky větrného generátoru jsou připojeny k centrálnímu náboji. Tato sestava lopatek a náboje se nazývá rotor turbíny, který generuje aerodynamický točivý moment z větru.

Rozumnou otázkou je, proč má větrný mlýn pouze tři lopatky? K zodpovězení této otázky je třeba vzít v úvahu řadu úvah.

Za prvé, použití více než tří lopatek má malý vliv na účinnost větrného generátoru, která se zvyšuje jen velmi málo, pokud jsou použity čtyři lopatky místo tří, ale zvyšuje se hmotnost rotoru a rychlost otáčení, při které je dosaženo špičkového výkonu, klesá.

Za druhé, více čepelí znamená vyšší náklady na materiál a výrobu. Více nožů vyžaduje více údržby.

Jak se počet lopatek zvyšuje, musí být tenčí, což má za následek ztrátu tuhosti a aerodynamické účinnosti. Velké množství lopatek může zvýšit tlak a způsobit převrácení celé konstrukce turbíny.

Konečně tři lopatky umožňují dobře vyvážit dynamické zatížení rotujícího rotoru větrem. Se třemi lopatkami zůstává moment hybnosti konstantní, protože když je jedna lopatka zvednutá, ostatní dvě jsou nasměrovány pod úhlem. Tímto způsobem se větrná turbína může plynule otáčet proti větru.

Ze všech těchto důvodů se tři lopatky staly standardem ve větrné energii.

7. Jaká je optimální rychlost otáčení listu větrné turbíny?

Rychlost větrné turbíny určuje množství elektřiny, které dokáže vyrobit.

Pokud se lopatky točí příliš pomalu, velké množství větru projde nerušeně, což omezí množství energie, kterou lze potenciálně vyrobit. Na druhou stranu, pokud se lopatky točí příliš rychle, chovají se ve větru jako velký plochý rotující disk, který vytváří enormní odpor a omezuje množství energie, kterou lze vyrobit.

Optimální poměr rychlosti hrotu listu je definován jako poměr rychlosti hrotu listu k rychlosti větru. Tento ukazatel závisí na několika faktorech, včetně tvaru, počtu a konstrukce lopatek turbíny.

Standardní otáčky větrné turbíny se pohybují od 5 do 25 otáček za minutu.

Moderní větrné turbíny jsou navrženy tak, aby se otáčely různými rychlostmi, a vysoce účinné třílopatkové turbíny mají optimální poměr otáček lopatek šest ku sedmi.

Větrné turbíny, které při silných poryvech pracují s konstantním převodovým poměrem nebo blízko optimálního převodového poměru, zlepšují účinné zachycování a přeměnu energie.

8. Z jakých materiálů jsou vyrobeny lopatky moderních větrných turbín?

Materiál lopatek turbíny hraje rozhodující roli v účinnosti stroje na výrobu elektřiny.

Lopatky větrných turbín musí mít nízkou hmotnost, vysokou pevnost, vysokou tuhost, vysokou únavovou pevnost a vysokou odolnost proti lomu, aby vydržely údery blesku, krupobití, vlhkost a velké změny teplot.

K výrobě lopatek větrných turbín se používá několik typů materiálů, což umožňuje lopatkám pracovat s maximální účinností.

Nejvhodnějším materiálem pro výrobu lopatek větrných turbín jsou vlákny vyztužené kompozity, které mají vysokou pevnost a tuhost a také nízkou hustotu. Menší čepele mohou být vyrobeny z lehkých kovů, jako je hliník, ale budou vyžadovat častou údržbu.

V současné době jsou komerční lopatky větrných turbín vyráběny z polymerů vyztužených vlákny, což jsou kompozity sestávající z polymerní matrice a vláken.

Dlouhá vlákna v těchto materiálech poskytují pevnost a podélnou tuhost, zatímco matrice poskytuje pevnost mimo rovinu, pevnost delaminace, lomovou houževnatost a tuhost.

Plasty vyztužené skleněnými vlákny a uhlíkovými vlákny – plasty vyztužené skleněnými vlákny a uhlíkovými vlákny – jsou také dobré materiály pro čepele, protože mají vysokou lomovou houževnatost, odolnost proti únavě a tepelnou stabilitu.

9. Mohou se lopatky větrné turbíny otáčet v obou směrech?

Stejně jako křídlo letadla generuje vztlak ze vzduchu proudícího pod ním, rotují lopatky rotoru větrné turbíny poháněné větrem proudícím po jeho povrchu. Záleží na tom, kterým směrem se ty obrovské rotorové listy točí?

Listy rotoru větrné turbíny mohou být navrženy tak, aby se otáčely v obou směrech a vyráběly elektřinu – ve směru nebo proti směru hodinových ručiček.

Většina turbín se otáčí ve směru hodinových ručiček z důvodu pohodlí a jednotného globálního standardu. Směr otáčení rotoru však může být rozdíl, když jsou dvě nebo více větrných turbín umístěny za sebou.

10. Jak se čepele udržují a opravují?

Existují dva typy údržby: preventivní a nápravná. Prvním z nich je provádění pravidelných kontrol s cílem zjistit stav lopatek a hledat možné poškození.

Tyto kontroly se provádějí různými způsoby: ze země, šplháním na radlice pomocí lan, jeřábů nebo zvedacích plošin.

Nápravná údržba spočívá v opravě nebo rekonstrukci lopatek, aby se odstranilo poškození, které se objevuje jak na povrchu, tak v jeho struktuře.

Lopatky větrných turbín mohou mít praskliny, poškození způsobené bleskem a ptáky nebo otvory na přední nebo zadní hraně a další poškození.

V současnosti se zkoumají alternativní systémy oprav a čištění, jako jsou dálkově ovládané drony, aby operátoři nemuseli lézt na větrné turbíny.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Zdroje energie jsou předmětem neustálého lidského hledání. Neustále potřebujeme, aby pro nás pracovala elektřina, tepelná a mechanická energie. A za celou dobu své existence se lidstvo naučilo využívat minerály, energii vody, Slunce a atomu. Není divu, že byl registrován i vítr.

Významnou výhodou větrné energie oproti všem ostatním je, že je obnovitelná, neboť je to jeden z důsledků práce Slunce. Větrná energie studuje tuto oblast. Odborníci hledají nejpraktičtější a nejpohodlnější způsoby přeměny kinetické energie větru (přesněji atmosférických vzduchových hmot) na tepelnou, elektrickou a mechanickou energii pro využití v národním hospodářství.

Historie využití větru v různých zemích

Historie bitvy s větrem začala v dávných dobách. Již v roce 200 našeho letopočtu se Peršané naučili stavět větrné mlýny na mletí mouky. Tato technologie se do Evropy přesunula ve XNUMX. století.

V 16. století byl v Evropě větrný mlýn kombinován s hydraulickým motorem, což umožnilo odvodňovat území jejich rekultivací z moře a také zásobovat suchá území vodou.

Nejdůležitější byl ale rok 1890, kdy byla v Dánsku vynalezena větrná elektrárna. Tak se lidstvo naučilo získávat potřebnou elektřinu prakticky ze vzduchu. Byl to předchůdce větrných turbín s horizontální osou vyráběných ve 30. letech XNUMX. století.

Ale zpočátku lidé nedocenili potenciál vynálezu, masové použití začalo až v 80. letech. Ale dnes je rozsah využití větrné energie působivý.

Síla větrných elektráren byla poprvé hodnocena ve Spojených státech, ale lokálně – v Kalifornii. Právě zde se nacházejí největší větrné elektrárny, které se často objevují ve filmech. Podívaná je skutečně rozsáhlá a hypnotizující – v poušti se rytmicky točí obří větrné mlýny. Ale tato umělá krása je také neuvěřitelně užitečná, jedna taková větrná farma stačí k plnému zásobování malé osady elektřinou.

Až v 30. století začala Evropa překonávat Spojené státy v počtu využívaných větrných elektráren a objemu energie vyrobené s jejich pomocí. Dánsko je zde považováno za lídra ve výrobě, přibližně 19 % veškeré elektřiny se vyrábí pomocí moderních větrných turbín. Na druhém místě je Portugalsko – 16 %, mírně za ním je Španělsko – 14 %, následuje Irsko – 8 % a Německo – XNUMX %.

V Rusku se větrné elektrárny stále používají zřídka, protože většinu energie vyrábějí jaderné elektrárny a vodní elektrárny. Postupně se ale zvyšuje podíl větrných generátorů. Pomalé tempo růstu je způsobeno nedostatkem financí.

Princip činnosti a konstrukce větrného generátoru

Větrný generátor, nazývaný také větrný mlýn nebo větrná turbína, je zařízení na tyči vybavené rotujícími lopatkami. Rozšířily se větrné mlýny se svislou a vodorovnou osou otáčení. První jsou rotorové a lopatkové, druhé jsou lopatkové.

Každá větrná turbína se skládá z následujících prvků:

• Větrná turbína na stožáru, roztočená lopatkami nebo rotorem.
• Elektrický generátor.
• Baterie.
• Regulátor nabíjení baterie.
• střídač.

Průmyslová instalace je přitom mnohem větší a má spoustu doplňkových prvků.

Princip činnosti je poměrně jednoduchý: větrná energie roztáčí lopatky, přenáší se nejprve na elektromotor a poté na generátor. Rotace generátoru přispívá k vytváření elektrického proudu, který se naopak hromadí v bateriích. Jako poslední je do cyklu zařazen převodník, který vytváří požadovanou napěťovou úroveň.

Vytápění větrem

Ačkoli výroba elektřiny pomocí větrných turbín je zisková pouze ve velkém měřítku, podobně jako v průmyslovém měřítku, kvůli vysokým nákladům na zařízení. Jeden větrný generátor stačí k vytápění jednoho domu. Tato technologie si postupně získává na popularitě.

Topná tělesa systémů vytápění a zásobování teplou vodou jsou napojena na baterie, které se nabíjejí pomocí větrné energie. V tomto případě si majitel může vybrat jakýkoli typ topného systému, který je napájen z elektrické sítě.

Experimenty dokazují, že větrný mlýn může udržovat teplotu chladicí kapaliny na 65-75 stupních, pokud je jeho objem v systému 200 litrů, což je docela dost pro domácí účely. Problém vytápění a zásobování vodou pro dům o rozloze do 200 metrů čtverečních je zcela vyřešen.

Výhody větrných generátorů

• Hlavní výhodou větrné energie je, že vítr je obnovitelný zdroj energie.
• Na rozdíl od jiných typů elektráren jsou větrné elektrárny šetrné k životnímu prostředí, neprodukují žádné emise do ovzduší, což je důležité zejména v kontextu boje za čisté životní prostředí.
• Náklady na elektřinu z velkých větrných elektráren jsou velmi nízké, v Evropě se toto číslo pohybuje kolem 4-6 centů za kilowatt. Pouze jaderné elektrárny poskytují levnější energii, ale zároveň jsou mnohem nebezpečnější.
• Známá zajímavost: energii generovanou tepelnými elektrárnami nahrazuje větrná energie, která snižuje emise skleníkových plynů.
• Větrná energie snižuje potřebu jaderných elektráren a produktů ropných společností, což má v planetárním měřítku pozitivní vliv na životní prostředí.
• Větrné turbíny mohou být instalovány v místech, kde není možné dodávat elektřinu.

Nevýhody větrných generátorů

Navzdory četným výhodám větrných elektráren mají také několik nevýhod:

• Rychlá návratnost pouze ve velkém měřítku.
• Potřeba velkých ploch pro vytvoření větrných elektráren.
• Pracovat je možné pouze v oblastech, kde je dost větrno.
• Potřeba zavést inteligentní systémy pro boj s proměnlivostí hmotností větru.
• Vysoké náklady na zařízení a jeho údržbu.
• Vliv na sílu, rychlost a trasy větrných mas (zatím málo prozkoumáno, ale negativní dopad již byl zaznamenán).
• Negativní účinky na ptáky a létající zvířata (především netopýry).
• Vysoká hladina hluku (srovnatelná s hlukem jedoucího auta).
• Silné rádiové rušení.

Perspektivy využití větrné energie jsou velmi široké a dosud nebyly plně prozkoumány. Je zřejmé, že nevýhody jsou více než vyváženy výhodami, ale vysoká cena a nutnost složité údržby zatím neumožňují plné využití větrných elektráren na celé planetě.