Jak můžete vyrábět elektřinu pomocí větru?

Článek pojednává o technologiích výroby větrné energie, konstrukci a principu fungování větrné elektrárny. Hovoří také o bezpečnosti větrných elektráren a používání vysoce kvalitních materiálů ve výrobním procesu těchto elektráren. Je sledována srovnávací analýza výroby větrné energie v různých zemích. Rozdíly mezi větrnými a tepelnými elektrárnami jsou podrobně popsány. Nabízí se otázka proveditelnosti nákupu větrné elektrárny. Na základě toho, co bylo zváženo, dochází k závěru, že dnes větrná energie zažívá nové zrození, protože věda nestojí na místě. Omezená nabídka tradičního paliva a zvyšující se energetické nároky vytvářejí základ pro hledání alternativních (obnovitelných) zdrojů energie. Jednou z možností řešení tohoto problému je větrná energie.

Větrná energie, technologie využívající proudění vzduchu k výrobě elektrické energie, je nejrychleji rostoucím zdrojem elektrické energie na světě. [1] Větrná energie je produkována masivními vícelopatkovými větrnými turbínami namontovanými na samém vrcholu vysokých věží a fungujícími jako ventilátory, ale obráceně. Namísto využití elektřiny k výrobě proudu vzduchu využívají turbíny k výrobě elektřiny vítr.

Autonomní větrná energie v moderních podmínkách ruské reality je směr pro rozvoj netradičních a obnovitelných zdrojů energie, jejichž rozvoj Rusko tak nutně potřebuje. Rozlehlé území Ruské federace s více než 9 miliony obyvatel nemá centralizované zásobování energií. Využitím navržených technologií se sníží spotřeba organického paliva v dieselových elektrárnách minimálně o 50 %. Zavedení takových technologií by mohlo výrazně snížit energetické napětí pozorované v oblastech, jako je Primorské území, Sachalinská oblast, Kamčatské území a Čukotský autonomní okruh. [13]

Obecně je struktura větrné elektrárny následující. Proud vzduchu otáčí lopatkami a lopatky otáčejí hřídelí, která je spojena se sadou ozubených kol, která pohání elektrický generátor. Velké energetické turbíny mohou produkovat 750 kilowattů (kilowatt = 1 000 wattů) až 1,5 megawattů (megawatt = 1 milion wattů) elektřiny. Pro zásobování obytných komplexů, telekomunikačních stanic a vodních čerpadel elektřinou slouží jako zdroj energie kompaktní jednotlivé větrné turbíny s výkonem menším než 100 kilowattů. To je typické především pro odlehlé a těžko dostupné oblasti, kde není připojení k veřejné elektrické síti. [2]

Ve větrných turbínách jsou skupiny turbín propojeny, aby vyráběly elektřinu pro veřejné energetické systémy. Elektřina je spotřebitelům dodávána prostřednictvím elektrického vedení a rozvodů.

Tak je to i v našem diskutovaném problému větru. Pokud by foukalo neustále určitou silou a směrem, bez poryvů a zastavení, byla by zde ideální větrná elektrárna. Podívejme se na světlé a temné stránky vlastností těchto struktur.

Takové elektrárny mají jednoduchý a přímočarý design;

Dostáváme téměř zdarma elektřinu;

Větrná elektrárna je šetrná k životnímu prostředí a tichá;

K dodávce elektřiny do místa spotřeby nepotřebuje mnoho vodičů;

Zcela neškodná instalace pro zachování přirozené rovnováhy;

Nepostradatelné v oblastech, kde není možné zajistit dodávku energie běžným způsobem.

A nepříjemné nevýhody:

Vítr je nekonzistentní a generátor pracuje nerovnoměrně;

V každém okamžiku, obvykle v nejméně vhodném, může být dodávka energie přerušena;

Výkon větrné farmy není plně využit;

Často nečinný kvůli nedostatku pohybu vzduchu;

Větrné elektrárny v Rusku se nemohou stát základem energetického průmyslu.

Umístění větrných elektráren vyžaduje velké, větrem ošlehané plochy.

Přes zdánlivou rovnováhu kladů a záporů je výhoda stále patrná ve směru větrných turbín. V Rusku je nelze ignorovat.

Moderní energetické a utilitní společnosti, aby zajistily stabilní provoz systémů dodávky energie, preferují použití velkých větrných generátorů jako hlavního zdroje výroby proudu. Z tohoto důvodu si vývojáři takových zařízení dali velké úsilí, aby větrné turbíny splňovaly nejen technické, ale i estetické a ekonomické požadavky zákazníků. [5]

Všimněme si bezpečnosti megawattových větrných turbín. Větrný generátor o výkonu 1.5 MW na 690 V se třemi lopatkami a průměrem větrného kola 70-87 metrů patří k zařízením třídy megawatt. Byl vytvořen s ohledem na:

· uplatňování všech aktuálně existujících evropských norem a konstrukčních norem;

· použití přísné kontroly kvality během výrobního procesu;

· normy omezující možnou hladinu hluku, která se při provozu takové větrné turbíny pohybuje do 70 dB.

Celková hmotnost turbíny je 61.500 XNUMX kilogramů. Pokud bude tato větrná elektrárna zakoupena v Rusku, bude schopna generovat elektrický proud za předpokladu, že bude zcela bezpečná pro život a zdraví zvířat a lidí. Použitím bezpečnostního systému je možná automatická ochrana před bleskem a bouřkou. Takový větrný mlýn nebude vytvářet rušení škodlivé pro provoz domácích zařízení a elektrických spotřebičů. V tomto ohledu není třeba získat povolení k jeho instalaci a provozu.

Provoz větrného generátoru je následující. Funguje při průměrné rychlosti větru 13.5 m/s. Pokud se rychlost zvýší o více než 25 metrů za sekundu, aktivují se brzdové nože. Když je rychlost větru menší než 3,5 m/s, taková větrná turbína nevyrábí elektřinu, protože její lopatky se nemohou otáčet. V tomto případě bude napájení budov elektřinou prováděno pomocí energie akumulované během provozu výkonných baterií. [11]

Kromě toho jsou takové mega větrné turbíny vybaveny:

· potřebná čidla, pomocí kterých se nastavuje rychlost a směr pohybu větru;

· systém, který umožňuje měnit úhly instalovaných lopatek;

· řídicí systém, který může fungovat pomocí mikroprocesorů prostřednictvím sítě počítačů;

· systém, s jehož pomocí jsou lopatky nuceny otáčet se ve směru větru.

Použití vysoce kvalitních materiálů ve výrobním procesu takových větrných turbín umožňuje, aby takové větrné elektrárny v Rusku fungovaly se zárukou minimálně 5 let a minimálně dvacet pět let za jakýchkoli podmínek.

Po instalaci bude 1.5 MW 690V mega větrný generátor schopen ročně vyrobit až osm milionů kWh elektřiny při průměrné rychlosti větru více než devět metrů za sekundu.

Odvětví větrné energie se v poslední době rozrostlo, což je dáno vládními politikami na podporu průmyslu a prací výzkumných pracovníků v programu DOE Wind Energy Program, kteří spolupracují s průmyslovými partnery na vytváření inovativních a méně nákladných technologií pro vytvoření vnitřní konkurence a na identifikaci nových oblastí aplikace větrné energie. [9]

Podívejme se na rozdíly mezi větrnou elektrárnou nebo větrnou elektrárnou a tepelnými elektrárnami:

Druh použitého paliva. Tepelné elektrárny fungují na fosilní paliva, jako je uhlí, a jako palivo se používá i ropa. Jaderné elektrárny využívají jaderná paliva, jako je uran a thorium. Všechny tyto druhy paliva jsou velmi drahé a každý den se jich spotřebuje obrovské množství. Větrné elektrárny nepotřebují žádné palivo. Využívají vydatný a volný atmosférický vítr.

Způsob výroby elektřiny. V tepelných a jaderných elektrárnách přeměňuje palivo ve velkých kotlích vodu na páru. Pára v turbínách expanduje, což způsobuje, že vyrábějí elektřinu. Větrné elektrárny instalují větrné turbíny s ventilátory. Vítr pohybuje lopatkami ventilátoru, což způsobuje otáčení hřídele. Hřídel směřuje svůj impuls na jiný hřídel přes převodovku. Výstupní hřídel převodovky se otáčí vysokou rychlostí v generátoru, který vyrábí elektřinu. Větrné elektrárny nevyžadují drahé kotle a palivo. Energii vyrábí vítr. [3]

Vítr je obnovitelná energie. Tepelné elektrárny neustále potřebují k výrobě páry čerstvá fosilní paliva. Použitá fosilní paliva se mění v popel a výpary, které nelze znovu použít. Vítr ve větrných elektrárnách je obnovitelný zdroj energie. Vítr, který pohání lopatky ventilátoru, se uvolňuje zpět do atmosféry a může být znovu využit k výrobě energie.

Velikost elektrárny. Tepelné elektrárny se vyplatí pouze v případě, že jsou velké. Větrné elektrárny jsou vhodné pro výrobu malého i velkého množství energie. Chcete-li zvýšit výkon větrné farmy, stačí přidat další větrné turbíny. Zvyšování kapacity tepelné elektrárny je velmi nákladná záležitost. Jednotlivé větrné turbíny lze v podstatě instalovat v domácnosti nebo kanceláři, aby mohly plnit své úkoly. Ale těžko si představit tepelnou elektrárnu pro domácí potřeby. Doma si můžete nainstalovat větrnou turbínu, ale ne tepelnou nebo jadernou elektrárnu.

Náklady na vyrobenou energii. V současné době jsou náklady na elektřinu vyrobenou větrnými elektrárnami 5-10 centů za jednotku elektřiny (jedna kilowatthodina), což je o něco více než náklady na energii vyrobenou v konvenčních továrnách. Neustálé zvyšování cen tradičního paliva pro tepelné elektrárny a snižování nákladů na výrobu větrných generátorů znamená, že procento elektřiny získané pomocí proudění vzduchu prudce vzroste. [12]

Znečištění životního prostředí. Jednou z hlavních příčin znečištění ovzduší jsou dnes emise částic a výparů vznikajících při spalování fosilních paliv v tepelných elektrárnách. Každý den spalují tuny paliva, což ve velkém přispívá ke znečištění životního prostředí. Vítr využívaný větrnými turbínami je přírodní palivo, které nemá žádný dopad na životní prostředí, díky čemuž jsou větrné elektrárny neškodným zdrojem energie. [8]

Rád bych připomněl konstrukci větrného generátoru. Rotor (lopatky větrné farmy) – přeměňuje větrnou energii na rotační energii. Většina moderních rotorů větrných turbín se skládá ze tří lopatek.

· Moderní lopatky větrných turbín o délce 30 metrů jsou obvykle vyrobeny z polyesteru vyztuženého skleněnými vlákny nebo z epoxidové pryskyřice ze dřeva. Rychlost otáčení kotouče je od 12 do 24 ot./min. při nízké rychlosti.

· Převodovka zvyšuje otáčky hřídele z nízkých otáček (přibližně 12 až 24 ot./min.) na vysoké otáčky (přibližně 1000 až 3000 ot./min.) a pohání generátor. Některé moderní větrné mlýny mají generátor připojený přímo k lopatkám.

· Generátor využívá magnetická pole k přeměně výsledné rotační energie na elektrickou energii.

· Anemometr a větrná korouhvička jsou umístěny na zadní straně krytu větrné turbíny a měří rychlost větru. Shromážděné informace využívá řídicí systém k výrobě maximálního množství energie. Údaje o rychlosti větru se také používají k řízení provozu a umožňují operačnímu systému spouštět a zastavovat turbínu. Moderní větrná elektrárna začíná vyrábět energii při rychlosti větru 4 m/s a vypíná se při rychlosti asi 25 m/s. Mechanismus stáčení otáčí rotor v převládajícím směru větru.

· Věž větrné turbíny je vyrobena z ocelových trubek, i když v některých zemích se stále používají příhradové věže. Věže pro moderní větrné elektrárny dosahují výšky od 60 metrů do 100 metrů.

· Transformátor převádí napětí požadované elektrickou sítí. Transformátor lze zabudovat do věže nebo umístit na základnu věže.

Stavba větrné elektrárny se provádí následujícím způsobem. Výstavba větrné elektrárny může trvat od 4 měsíců u stavby jedné věže větrného generátoru až po 2 roky u velké elektrárny skládající se z 20 a více turbín.

Odhadovaná životnost větrného generátoru je definována na 20-25 let. Poté jsou větrné generátory buď vyměněny za nové, nebo je celá instalace kompletně demontována. V progresivních zemích je navíc demontáž prováděna nejdůkladnějším způsobem – jsou eliminovány všechny stopy lidského zásahu do přírody a po několika letech místo instalace zcela splyne s krajinou. [6]

Stavba větrné elektrárny zahrnuje následující etapy:

· Provizorní staveniště – o rozměrech cca 50 x 50 m.

· Základ větrné věže je litý z železobetonu. Betonová plocha (včetně parkovacích vozidel) přiléhající k turbíně poskytuje stabilní základnu, na které spočívá samotná věž generátoru.

· Řídicí a řídící budova – plocha cca 6m x 6m, budova je stavěna pro umístění elektrorozvodů, měřidel apod.

Netradiční a obnovitelné zdroje energie jsou nesmírně oblíbené po celém světě. Za zmínku stojí, že větrnou energii využívá pro svá zařízení i největší internetová společnost Google. V Austrálii, USA, Kanadě a Evropě je energie proudění vzduchu využívána ve prospěch civilizace. Země, které mají možnost instalovat větrné generátory, zvyšují svůj potenciál větrné energie, je možné, že v Evropě a Severní Americe se v blízké budoucnosti stane větrná energie hlavním zdrojem energie (v současnosti se toto číslo pohybuje od 20 do 40 %). [10]

Větrná energetika si udržuje vedoucí postavení v odvětví na konci roku 2009, její podíl v sektoru alternativní energetiky činil 44 %. V roce 2011 bylo uvedeno do provozu přibližně 41 GW nové kapacity, čímž se globální kapacita větrné energie zvýšila o 21 % na 238 GW. V současné době jsou větrné elektrárny instalovány v 75 zemích světa. Země jsou lídry v rozvoji větrné energie: Čína (2011 GW kapacity byla uvedena do provozu v roce 62), USA, Indie, země EU, Kanada. V Rusku bylo loni instalováno asi 6 GW výrobní kapacity. U nás se používají především průmyslové větrné turbíny. S rozvojem průmyslu se objevily nové zajímavé modely větrných elektráren pro domácnost i pro skupinu soukromých domů. [4]

V jakých případech je nákup větrného generátoru v Rusku nákladově efektivním řešením?

O koupi větrné elektrárny je vhodné uvažovat až tehdy, když je průměrná rychlost větru ve vašem regionu alespoň 4 m/s.

Nákup větrné elektrárny do domu je optimálním řešením, pokud v místě není centralizované napájení a náklady na vedení elektrického vedení do obytného domu jsou nepřiměřeně vysoké.

Pro chatové obce vzdálené od centrálního napájení je možné použít větrnou elektrárnu vysokého výkonu, která dokáže uspokojit energetické potřeby skupiny domů najednou.

Také nákup větrného generátoru je oprávněný pro letní chaty při absenci centrálních zdrojů dodávek energie

Na základě výše uvedeného můžeme usoudit, že dnes větrná energie zažívá nový zrod, protože věda nestojí na místě. Omezená nabídka tradičního paliva a zvyšující se energetické nároky vytvářejí základ pro hledání alternativních (obnovitelných) zdrojů energie. Jednou z možností řešení tohoto problému je větrná energie.

Vzhledem k tomu, že Rusko má rozsáhlé území a různé klimatické zóny, rozvoj větrné energie je usnadněn velkým technickým potenciálem. Kvůli velké vzdálenosti mezi osadami nemá více než polovina území v Rusku centralizované zásobování energií. Jako možnost řešení tohoto problému můžeme považovat větrnou energii, jejíž vyhlídky na rozvoj jsou velké. Možná v budoucnu Rusko zaujme vedoucí postavení ve zpracování větrné energie.

3. Globální boom větrných instalací, nárůst o 31 % v roce 2009

4. Světová zpráva o větrné energii 2010 (PDF).

5. “Aktualizace větrné energie” (PDF). Větrné inženýrství: 191–200.

6. Vliv výroby větrné energie v Irsku na provoz konvenční elektrárny a ekonomické důsledky. eirgrid.com (únor 2004).

7. Návrh a provoz energetických systémů s velkým množstvím větrné energie,“ IEA Wind Summary Paper (PDF).

8. Claverton-Energy.com (2009-08-28)

9. Alekseev B.A. Mezinárodní konference o větrné energii / elektrárnách. 1996. č. 2.

10. Bezrukikh P.P. Ekonomické problémy netradiční energetiky / Energie: Ekon., tech., ekologie. 1995. č. 8.

11. Boguslavsky E.I., Vissarionov V.I., Elistratov V.V., Kuzněcov M.V. Podmínky pro účinnost a integrované využívání geotermální solární a větrné energie // Mezinárodní sympozium „Palivové a energetické zdroje Ruska a dalších zemí SNS“. Petrohrad, 1995.

12. Sobol Ya.G. „Větrná energie“ v tržních podmínkách (1992-1995) / Energie: Ekon., tech. ekol. 1995. č. 11.

Článek “Znovuzrození větrné energie“publikováno v časopise “Neftegaz.RU” (č. 4, duben 2019)

Čebanov Konstantin Alexandrovič
Kandidát pedagogických věd, docent, vedoucí katedry elektroenergetiky Státní autonomní vzdělávací instituce vysokého školství “Nevinnomyssk státní humanitární a technický ústav”

Karamyan Olga Yurievna
Kandidát historických věd, docent katedry elektroenergetiky Státního autonomního vzdělávacího ústavu vysokého školství “Nevinnomyssk státní humanitární a technický ústav”

Solovjová Žanna Alexandrovna
odborný asistent, Katedra elektroenergetiky, Státní autonomní vzdělávací instituce vysokého školství “Nevinnomyssk Státní humanitární a technický ústav”

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.