Вятърни електроцентрали: видове, дизайн, предимства

Вятърната енергия далеч не е нов клон на енергоснабдяването, но при настоящите условия тя придобива все повече характеристики на перспективна насока за по-нататъшно развитие. Все още е трудно да се говори за универсални концепции за техническа реализация на вятърни генератори, но успехите в прилагането на отделни инженерни решения дават основание да се смята, че в близко бъдеще ще има единен унифициран модел за проектиране. Понастоящем обаче в света се използват няколко вида вятърни турбини, всяка от които има своите предимства.

Общ принцип на вятърните турбини

Подобно на повечето съвременни алтернативни източници на енергия, вятърният турбинен генератор работи чрез упражняване на сила, получена от естествен процес. Това са ветрови потоци, породени от неравномерното нагряване на земната повърхност от Слънцето. Почти всички вятърни турбини работят на следния принцип: въздушните течения въртят колело на специален вал с лопатки, като по този начин предават въртящ момент на генератор или акумулаторна батерия. Когато въздушният поток е стабилен и силен, вятърните турбини могат да генерират 45-50% от произвежданото от тях електричество. Именно непостоянството на вятъра и неговата сила са причина за голямото разнообразие от конструкции на вятърни турбини, които са предназначени, наред с другото, за специфични климатични условия.

Какви са основните предимства на вятърните турбини??

Оценяване на оперативна ефективност вятърните турбини могат да бъдат сравнявани както с традиционните енергийни източници, така и с генератори, базирани на възобновяеми ресурси, безплатно. Най-отчетливите предимства, които дават надежда за бъдещото развитие на такива системи, са следните

• Самата вятърна енергия е не само възобновяема, но и достъпна за съхранение и обработка.
• Икономическата полза. Все още не могат да бъдат направени еднозначни оценки за конкретни икономически показатели поради разнообразието от системи, работещи с различен капацитет. Но е възможно да се говори за изключителни резултати, които се демонстрират от отделни проекти. Например, колко струва киловат електроенергия от голяма морска вятърна турбина?? Тази сума може да бъде в диапазона от 2 до 12 RUR. за 1 kWh.
• Екологичност. Експлоатацията на вятърните електроцентрали не е свързана с вредни емисии в атмосферата.
• Компактност. Дори в промишлен мащаб вятърните турбини не могат да се сравняват с традиционните електроцентрали. Това до голяма степен се дължи на автономността и независимостта на тези системи от спомагателни услуги и ресурси.

Генератори по хоризонтална ос

Структурното оформление на такива вятърни турбини включва електрически генератор, редуктор, лопатки и кула с легло. Конфигурацията на лопатките е постигната по такъв начин, че въздухът да навлиза във фунията, създавайки усукващ момент. Важна предпоставка за производството на електроенергия от тези вятърни турбини е способността им да се адаптират към характеристиките на потока (посока и сила). За тази цел конструкциите са снабдени с механизми за въртене на лопатките и наклон спрямо земната повърхност. Най-усъвършенстваните модели използват и контролери с автоматично управление. Що се отнася до реализацията на ветровото колело, в хоризонталните схеми по-често се използва конфигурация с три лопатки. А за да подобрят работата на генераторите, инженерите се стремят да увеличат размера на функционалната зона - което обяснява например и настоящата тенденция за преминаване от пластмаса и лек метал към скъпи композитни части в строителството.

Генератори по вертикална ос

Такива генератори имат значително предимство пред хоризонталните конструкции, а именно фактът, че няма нужда от допълнителен контрол и управление на инсталацията. Това означава, че вятърната турбина с вертикална ос не се приспособява по никакъв начин към движението на теченията по време на работа. Този функция за взаимодействие с въздушни маси едновременно намалява напрежението върху лопатките на вятърната турбина и жироскопичните натоварвания. Генераторът и редукторът, които представляват двигателя на инсталацията, могат да бъдат разположени в основата на конструкцията на кулата без риск от повреда или отказ. Но въпреки всички тези предимства вертикалните машини не са изместили напълно хоризонталните вятърни турбини? За съжаление тези модели имат значителни недостатъци. Тъй като вятърната мелница не е ориентирана към потоците на вятъра и винаги работи в тесен диапазон на улавяне на енергията, производителността на генератора логично намалява. Ето защо, за да се поддържа достатъчен капацитет, вертикалните вятърни турбини трябва да се използват масово, за да покрият големи площи, което не винаги е възможно.

Конструкции, базирани на ротора на Даржо

Вятърните генератори с вертикално разположение на работното колело се основават на роторната схема на Савониус или Дарие. Но тази група също има разновидности и съвременни модификации. Най-обещаващата скорошна разработка е създадената през 2001 г. винтова турбина на Горлов. Той е своеобразно продължение на концепцията за ротор Darié, но в по-оптимизирана форма. Вертикалните спираловидни лопатки генерират енергия от въздушния и водния поток с минимална активност. Днес тези генератори се използват както в специализирани вятърни паркове, така и във водноелектрически централи.

Вятърни турбини с генератори на поток

Също така донякъде продължение на класическите конструкции на вятърни турбини, но адаптирани към съвременните високотехнологични условия на работа. Модификациите с флокулатори се отличават с наличието на един или Няколко корита, предназначени за концентриране на въздушния поток. Аеродинамичните конусовидни елементи под формата на тези корита събират потоците на голяма площ, като ги ориентират към една точка на посоката и по този начин увеличават скоростта на системата от лопатки. Трудността при използването на вятърни електроцентрали с генератори на поток се състои в това, че те изискват допълнителна група елементи. Освен това единственият начин за постигане на значително увеличение на производителността на такива системи е да се свържат спомагателни източници на енергия, което не винаги е икономически оправдано.

Безредукторни вятърни турбини

Идеята за структурна оптимизация доведе и до създаването на вятърни турбини, които не са оборудвани със зъбни колела. Вместо това се използва пръстеновиден канал, закрепен с вътрешна метална планка. Този пръстен се монтира около ръба на ротора. В него се намира и група магнити, които взаимодействат с металната шина, за да предизвикат генериране на ток. Безредукторните вятърни турбини с диаметър на ротора от около 200 см могат да произвеждат до 1500 kWh годишно. Основното предимство на подобна конструкция може да се нарече намаляване на загубите на енергия, които естествено възникват при работата на генераторите, при условие че редукторите. Но тази добродетел е за сметка на ограниченията на скоростта. За да може инсталацията да влезе в оптимален работен процес, е необходима скорост на потока от поне 2 m/s.

Характеристики на промишлени вятърни турбини

Индустриалните вятърни турбини имат две основни разлики - големи размери и висока мощност. От тези характеристики произтичат както предимствата, така и недостатъците на този тип станции. Що се отнася до дизайна, достатъчно е да се каже, че височината на съвременните промишлени вятърни турбини може да достигне 150-200 м, а лопатките - над 100 м. За да се задържи такава масивна структура, се извършват мащабни строителни дейности за изграждане на фундаментна подложка. Високата производителност изисква и по-сложна функционална инфраструктура. Например контролерите на вятърни турбини се използват за управление на процеса на преобразуване на енергията и за регистриране на текущия заряд на акумулаторната батерия. Освен това електрическото пълнене на такива инсталации включва инвертори и системи за защита от късо съединение.

Характеристики на битовите вятърни турбини

Най-простите вятърни турбини могат да се използват не само в домашни условия, но и да се сглобяват на ръка. Обикновено тези вятърни турбини са малки агрегати с височина не повече от 10 m и мощност от 0,5-5 kW. Като пасивен източник на енергия за домакински уреди или отделни групи електрически устройства този вариант е оправдан. Компактните вятърни турбини обаче вече се използват масово и от големи компании за Електрозахранване на производствени съоръжения. На базата на мини вятърни паркове се формират доста продуктивни и надеждни системи, които могат да се конкурират с мощни единични генератори, както и.

Характеристики на офшорните вятърни турбини

Популярността на този тип вятърни турбини се дължи на няколко предимства пред наземните централи. Това са най-вече по-стабилните условия на работа, тъй като ветровите потоци не се сблъскват с препятствия на разстояние от бреговата линия. Конструкциите на офшорни вятърни турбини се разделят на две групи - поддържани и плаващи. Първите се монтират в плитка вода с класическа опора в земята под вода. Плаващите станции съответно имат собствена плаваща платформа, закрепена с котви и други морски устройства.

Интегриране на вятърни турбини в сградните обвивки

Съществува много обещаваща група вятърни турбини, които могат да бъдат буквално интегрирани в корпуса на високите сгради. Това решение има две предимства - благоприятни условия за "приемане" на потоците и намаляване на доставката на електроенергия, тъй като крайният източник на захранване обикновено са потребителите вътре в сградата. Интегриране на вятърни електроцентрали от този тип по-често се произвежда от специални аеродинамични цилиндри, прикрепени към покривите на небостъргачите. Разработва се и концепцията за минипропелери, които могат да се поставят във всяка част на висока сграда. Устройствата се вграждат буквално в стените, след което се свързват към обществената електрическа мрежа и доставят малко, но стабилно количество енергия.

Заключение

През последните години интересът към вятърните турбини в Русия значително нарасна. От време на време в различни региони се пускат в експлоатация големи централи с мощност до 30-50 MW. Ветрогенераторите са особено полезни за нашата страна, тъй като позволяват да се снабдяват с енергия отдалечените райони, където в момента няма други начини за снабдяване с енергия. Сегментът на малките вятърни електроцентрали също се развива активно. В Русия индивидуалните системи за захранване с мощност 1-5 kW станаха много популярни. В същото време разработчиците не се отказват да комбинират вятърни турбини с двигатели с вътрешно горене принципи на работа на вятърни турбини с двигатели с вътрешно горене. Успехите в тази насока са показани по-специално от конструкциите с вятърни двигатели. До каква степен вятърната енергия ще бъде търсена в Русия през следващите десетилетия по принцип все още е трудно да се каже, тъй като позицията на традиционните енергийни източници е все още силна. Но тенденциите към алтернативна енергия по света вероятно ще подтикне руската индустрия също да се стреми към такива тенденции.