Вятърни електроцентрали: видове, дизайн, предимства

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Вятърната енергия далеч не е нов отрасъл на енергийните доставки, но в сегашните условия става все по-изразени черти на обещаваща посока за по-нататъшно развитие. Все още е трудно да се говори за универсални концепции за техническа реализация на вятърни генератори, но напредъкът в използването на индивидуални инженерни решения предполага, че в близко бъдеще ще се появи единен единен структурен модел. В същото време в света се използват няколко вида вятърни турбини, всяка от които има своите силни страни.

Общ принцип на работа на вятърните турбини

Като повечето съвременни алтернативни източници на енергия, вятърната турбина работи благодарение на силата, действаща в резултат на естествен процес. Говорим за ветрови потоци в резултат на неравномерно нагряванеземната повърхност от слънцето. Почти всички вятърни турбини работят на следния принцип: въздушните потоци въртят колелото върху специален вал с остриета, като по този начин предават въртящ момент към генератора или акумулаторния пакет. В условия на стабилност и достатъчна сила на движение на въздуха вятърните мелници за производство на електроенергия са в състояние да осигурят ефективност от 45-50%. Именно променливостта на вятъра и неговата сила определят голямото разнообразие от дизайни на вятърни турбини, които също се изчисляват въз основа на специфични климатични условия на употреба.

Какви са основните предимства на вятърните турбини?

Оценяването на ефективността на вятърните турбини може да бъде както в сравнение с традиционните енергийни източници, така и на фона на генератори, работещи на възобновяеми безплатни ресурси. Най-изявените предимства на подобни системи, които дават надежда за тяхното успешно развитие в бъдеще, са следните фактори:

• Самата вятърна енергия е не само възобновяема, но и достъпна за натрупване и преработка.
• Икономическа полза. Все още не могат да се правят еднозначни оценки по отношение на конкретни икономически показатели поради разнообразието от системи, работещи с различна производителност. Но можем да говорим за изключителни резултати, демонстрирани от отделни проекти. Например колко струва един киловат електроенергия от голяма офшорна вятърна мелница? Можем да говорим за диапазона от 2-12 рубли. за 1 kWh.
• Екологично чисти. Работата на вятърните турбини не предвижда вредниемисии на замърсители на въздуха.
• Компактен. Инсталирането на вятърна турбина, дори в индустриален формат, не може да се сравни с традиционните електроцентрали. Това до голяма степен се дължи на автономността и независимостта на такива системи от спомагателни комуникации и ресурси.

Генератори на хоризонтална ос

Проектната схема на такива вятърни мелници предвижда наличието на електрически генератор, скоростна кутия, остриета и кула с рамка. Конфигурацията на лопатките е изпълнена по такъв начин, че въздухът да тече във фунията, което създава момент на усукване. Важно условие за работата на такива вятърни мелници за генериране на електроенергия е способността да се адаптират към характеристиките на движението на потоците (посока и сила). За това конструкциите са снабдени с механизми за завъртане и накланяне на лопатките спрямо земната повърхност. В най-модерните модели се използват и контролери с автоматично управление. Що се отнася до изпълнението на вятърното колело, конфигурацията с три остриета се използва по-често в хоризонтални схеми. Освен това, за да увеличат производителността на генераторите, инженерите са склонни да увеличават размера на функционалната приемна част, което например обяснява настоящата тенденция на преход от пластмаса и леки метали към скъпи композитни елементи при производството на конструкции.

Генератори на вертикална ос

Такива генератори имат значително предимство пред хоризонталните структури,което се състои в липсата на необходимост от допълнителни средства за наблюдение и контрол на инсталацията. Тоест в процеса на работа вятърна мелница с вертикална ос не се приспособява по никакъв начин към движението на потоците. Тази характеристика на взаимодействие с въздушните маси едновременно намалява напрежението в лопатките на вятърния генератор и намалява жироскопичните натоварвания. Генераторът с редуктор, който формира двигателя на централата, може да бъде разположен в основата на кулата на конструкцията без риск от повреда или повреда. Но защо при описаните предимства вертикалните инсталации не заменят изцяло хоризонталните вятърни мелници? За съжаление, тези модели имат и значителни недостатъци. Тъй като вятърното колело не се ръководи от ветрови потоци и винаги работи в тесен диапазон от обхвати на улавяне на енергия, производителността на генератора е логично намалена. Следователно, за да се поддържа достатъчна мощност на вертикалните вятърни мелници, е необходимо тяхното масово използване, обхващащо големи площи, което не винаги е възможно.

Дизайн, базиран на ротора Darrieus

Генераторите на вятърни турбини с вертикално работно колело са базирани на конструкцията на ротора Savonius или Darrieus. Но тази група също има свои собствени вариации и съвременни модификации. Най-обещаващата скорошна разработка е хеликоидната турбина на Горлов, създадена през 2001 г. Тя е своеобразно продължение на концепцията на ротора Дарие, но в по-оптимизиран вид. Спиралните вертикални остриета позволяват генериране на енергия от водни и въздушни потоци с минимална активност. Днес тези генераторисе използват както в специализирани вятърни паркове, така и като част от водноелектрически централи.

Вятрогенератори с усилватели на поток

Също така, по някакъв начин, продължение на класическите дизайни на вятърни мелници, но адаптирани към текущите високотехнологични условия на работа. Модификациите с усилватели на потока се отличават с наличието на един или повече улуци, които са предназначени да концентрират въздушните потоци. Аеродинамичните конусообразни елементи под формата на същите тези улуци събират потоци върху голяма площ, като ги насочват към една посока и по този начин увеличават скоростта на системата на лопатките. Трудността при използването на вятърни турбини с усилватели на потока е, че те изискват използването на допълнителна елементна група. Освен това е възможно да се постигне значително увеличение на производителността в такива системи само чрез свързване на спомагателни енергийни източници, което не винаги е икономически оправдано.

Вятърни турбини без редуктор

В съответствие с идеята за структурна оптимизация се появи и вариант на вятърна електроцентрала без скоростна кутия. Вместо това се използва пръстеновиден канал, снабден с вътрешен метален прът. Този пръстен е монтиран около ръба на ротора. Тук се намира и група магнити, които взаимодействат с метален прът, като по този начин допринасят за генерирането на ток. Производителността на вятърни турбини без скоростна кутия с диаметър на ротора около 200 cm може да достигне 1500 kWhпрез годината. Основното предимство на тази конструкция е намаляването на естествените загуби на енергия при работата на генераторите, снабдени с редуктори. Но трябва да платите за това предимство с ограничения на скоростта. За да може уредът да влезе в оптимален работен поток, е необходима скорост на потока от поне 2 m/s.

Характеристики на индустриалните вятърни турбини

Индустриалните вятърни мелници имат две основни разлики - голям размер и висока мощност. Както предимствата, така и недостатъците на станциите от този тип идват от тези характеристики. Що се отнася до структурата, достатъчно е да се каже, че височината на съвременните индустриални вятърни мелници може да достигне 150-200 m, а размахът на острието може да бъде повече от 100 m. Високата мощност изисква и сложността на функционалната инфраструктура. Така че, за да се контролира процеса на преобразуване на енергия, се използват контролери на вятърни генератори, които гарантират, че се взема предвид текущото зареждане на батерията. Освен това електрическият пълнеж на такива инсталации включва инвертори и системи за защита от късо съединение.

Характеристики на битовите вятърни турбини

Най-простите вятърни мелници могат не само да се използват у дома, но и да се сглобяват ръчно. По правило това са малки инсталации с височина не повече от 10 m, способни да работят с мощност 0,5-5 kW. Като пасивен източник на енергия за домакински уредиили отделни групи електрически устройства, тази опция се оправдава. Въпреки това, компактните вятърни турбини се използват в голям брой днес от големи компании за захранване на производствени съоръжения. На базата на мини-вятърни мелници се формират достатъчно продуктивни и надеждни системи, които могат да се конкурират с единични генератори с висока мощност.

Характеристики на офшорните вятърни турбини

Популярността на този тип вятърни мелници се дължи на няколко предимства пред станциите, които се намират на сушата. Тук става дума основно за по-стабилни условия на работа, тъй като ветровите потоци не са препятствани далеч от бреговата линия. В същото време конструкциите на офшорните вятърни турбини са разделени на две групи - носещи и плаващи. Първите се монтират в плитка вода с класическа опора в земята под вода. Плаващите станции, съответно, имат собствена плаваща платформа с фиксиране посредством котви и други морски устройства.

Комбинация от конструкции на вятърни турбини със строителни рамки

Има и много обещаваща група вятърни мелници, които са буквално интегрирани в корпусите на високи сгради. Това решение има две предимства - благоприятни условия за "приемане" на потоци и намаляване на пътя на доставка на електроенергия, тъй като крайният източник на захранване обикновено са консуматорите вътре в сградата. В момента интегрирането на вятърни турбини от този тип по-често се извършва чрезспециални аеродинамични цилиндри, които са монтирани на покривите на небостъргачи. Разработва се и концепцията за мини-витла, които могат да се поставят във всяка част на висока строителна площадка. Устройствата са буквално интегрирани в стените, след което се свързват към общата система за захранване, като отделят малко, но стабилно количество енергия.

Заключение

През последните години интересът към вятърните турбини се е увеличил значително в Русия. Големи станции с мощност до 30-50 MW се пускат периодично в различни региони. За нашата страна вятърните мелници са особено полезни, защото ни позволяват да осигуряваме енергия на отдалечени региони, където в момента няма възможност за организиране на други средства за енергийно снабдяване. Активно се развива и сегментът на малките вятърни електроцентрали. В Русия индивидуалните енергийни системи с мощност 1-5 kW станаха много популярни. В същото време разработчиците не отказват да комбинират принципите на работа на вятърни мелници с двигатели с вътрешно горене. Успехите в тази посока се демонстрират по-специално от дизайните на вятърни дизелови двигатели. Все още е трудно да се каже колко вятърна енергия ще бъде търсена в Русия през следващите десетилетия, тъй като позициите на традиционните енергийни източници все още са силни. Но тенденциите в прехода към алтернативна енергия по света вероятно ще подтикнат руската индустрия да проучва активно такива области.