Rotacinė vėjo turbina: išsami informacija

Vėjo jėgainės yra įrenginiai, kinetinę vėjo energiją paverčiantys elektros energija. Jos veikia vėjo kinetinę energiją paversdamos elektros energija, o generatorius paverčia mechaninę energiją į elektros energiją. Šie įrenginiai yra ekologiški ir ekonomiškai efektyvūs energijos šaltiniai.

Vėjo jėgainių veikimo principas ir efektyvumas

Vėjo jėgainė veikia vėjo kinetinę energiją paversdama elektros energija. Pagrindinis komponentas yra turbina, kurią suka vėjo jėga. Rotoriaus judesys perduodamas generatoriui per mechaninę pavarą. Generatorius, naudodamas magnetinę indukciją, mechaninę energiją konvertuoja į elektros energiją.

Vėjo generatoriaus veikimas pagrįstas vėjo kinetinės energijos pavertimu mechanine rotoriaus energija, kuri vėliau paverčiama elektra. Veikimo principas yra gana paprastas: ašmenų, sumontuotų ant prietaiso ašies, sukimasis sukelia rotoriaus generatoriaus sukamaisiais judesiais, dėl kurių susidaro elektra. Vėjo turbina vėjo energiją paverčia mechaniniu darbu, skirtu rotoriaus sukimui, galutinei kintamosios elektros energijos įrangai.

Įrenginio efektyvumas priklauso nuo vėjo greičio ir krypties. Modernios jėgainės pradeda veikti nuo 2 m/s greičio ir pasiekia maksimalų našumą prie stipresnių vėjų. Vėjo jėgainių konstrukcija užtikrina aerodinaminį efektyvumą, leidžiantį generuoti energiją net nestabiliomis oro sąlygomis. Efektyviausios jėgainės yra regionuose, kur vėjo greitis siekia bent 4-6 m/s.

Vėjo jėgainių konstrukcija ir tipai

Vėjo turbinos konstrukcija apima kelis pagrindinius komponentus, kurie kartu užtikrina efektyvų energijos gavimą. Vėjo turbinos paprastai turi vėjo turbinas, generatorius (įskaitant įrangą), moduliatorių (uodegą), bokštą, saugumo agentūrų greičio ribą ir energijos kaupimo įrenginį, pvz., komponentus.

Klasifikacija pagal konstrukciją

• Klasikiniai horizontalūs vėjo generatoriai: Taip pat vadinami sraigtais arba mentėmis, paprastai turi 3-5 ašmenis, sumontuotus ant horizontalios ašies. Sukdami dideliu greičiu, tokie elementai leidžia gauti maksimalų energijos kiekį (KIEV iki 0,4). Pagamintos elektros energijos kiekis labai priklauso nuo prietaiso aukščio (kuo jis didesnis, tuo didesnis rezultatas). Horizontalus vėjo generatorius naudoja kėlimo jėgą, kuri atsiranda padidėjus slėgiui toje vietoje, kur tiesioginis oro srautas praeina per mentes, atsispindintiems nuo šių elementų.
• Vertikalios vėjo turbinos: Aktyvus elementas yra besisukantis vėjo ratas. Dizaino ypatybės skiriasi pagal tipą („Barrel“, „Savonius“). Nors ir pasižymi žemesniu naudingumo koeficientu (0,1-0,2), yra naudingos dėl savo gebėjimo veikti turbulentiškais oro srautais ir nereikia orientuoti pagal vėjo kryptį. Jos lengvai montuojamos ir valdomos, taip pat gali būti statomos arti žemės.

Klasifikacija pagal paskirtį

• Pramoninės vėjo jėgainės: Montuojamos didžiųjų energetikos įmonių arba valstybės, tiekiant elektrą pramonės objektams. Turbinos, kurių galia yra dešimtys megavatų, paprastai statomos vėjo vietose (atvirose kalvose, pakrantėse).
• Komerciniai vėjo generatoriai: Naudojami elektros energijai gaminti, norint parduoti, arba tiekti elektros energiją regionams, kuriuose yra mažos galios tinklai. Tokie vėjo jėgainių parkai sudaro elektrinių generatorių grupę.
• Buitiniai vėjo įrenginiai: Mažo galingumo įrenginiai, naudojami asmeniniam naudojimui. Vėjo malūnai su stiebais, kurių aukštis mažesnis kaip 25 metrai, gali būti įrengti be valdžios sutikimo.

Vėjo turbinų komponentai ir jų funkcijos

Vėjo turbiną sudaro daugybė komponentų, kurie užtikrina jos veikimą:

• Gondolė: Gondolėje yra pagrindinė vėjo turbinos įranga, įskaitant pavarų dėžes ir generatorius. Techninės priežiūros personalas gali patekti į gondolę per vėjo turbinos bokštą. Kairėje gondolės pusėje yra vėjo generatoriaus rotorius, t. y. rotoriaus mentės ir velenas.
• Rotoriaus mentės: Gaudo vėją ir perduoda jį rotoriaus ašiai. Šiuolaikinėje 600 kilovatų vėjo turbinoje kiekvienos rotoriaus mentės ilgis yra apie 20 metrų, o jos konstrukcija primena lėktuvo sparnus.
• Ašis: Rotoriaus ašis pritvirtinta prie vėjo turbinos mažo greičio veleno.
• Mažo greičio velenas: Mažo greičio vėjo turbinos velenas jungia rotoriaus veleną su pavarų dėže. Šiuolaikinėje 600 kilovatų vėjo turbinoje rotoriaus greitis yra gana mažas, apie 19-30 apsisukimų per minutę. Velene yra kanalai hidraulinei sistemai, skatinantys aerodinaminio stabdžio veikimą.
• Pavarų dėžė: Kairėje pavarų dėžės pusėje yra mažo greičio velenas, kuris gali padidinti didelio greičio veleno greitį iki 50 kartų, palyginti su mažo greičio velenu.
• Didelio greičio velenas ir jo mechaninis stabdys: Didelio greičio velenas sukasi 1500 aps./min. greičiu ir varo generatorių. Jame įrengtas avarinis mechaninis stabdys, kuris naudojamas sugedus aerodinaminiam stabdžiui arba remontuojant vėjo turbiną.
• Generatorius: Paprastai vadinamas indukciniu varikliu arba asinchroniniu generatoriumi. Šiuolaikinių vėjo turbinų maksimali galia paprastai yra nuo 500 iki 1500 kilovatų.
• Nukrypimo nuo krypties įtaisas: Elektros variklio pagalba pasukite gondolę taip, kad rotorius būtų nukreiptas į vėją. Nukrypimo nuo krypties įtaisą valdo elektroninis valdiklis, kuris gali aptikti vėjo kryptį per vėjo mentę. Paprastai, kai vėjas keičia kryptį, vėjo turbina vienu metu nukrypsta tik keliais laipsniais.
• Elektroninis valdiklis: Jame yra kompiuteris, kuris nuolat stebi vėjo turbinos būseną ir valdo posūkio įtaisą. Siekiant išvengti gedimų (pvz., reduktoriaus ar generatoriaus perkaitimo), valdiklis gali automatiškai sustabdyti vėjo turbinos sukimąsi ir susisiekti su vėjo turbinos operatoriumi per telefono modemą.
• Hidraulinė sistema: Naudojama vėjo turbinos aerodinaminiam stabdžiui atkurti.
• Aušinimo elementas: Jame yra ventiliatorius generatoriui aušinti. Be to, jame yra alyvos aušinimo elementas, skirtas alyvai reduktoriuje aušinti. Kai kuriose vėjo turbinose generatoriai aušinami vandeniu.
• Bokštas: Vėjo turbinos bokšte yra gondolė ir rotorius. Paprastai aukštesni bokštai turi pranašumą, nes kuo didesnis atstumas nuo žemės, tuo didesnis vėjo greitis. Šiuolaikinės 600 kilovatų vėjo turbinos bokšto aukštis yra nuo 40 iki 60 metrų. Tai gali būti vamzdinis arba grotelių bokštas. Vamzdinis bokštas yra saugesnis techninės priežiūros personalui, nes jie gali pasiekti bokšto viršų per vidines kopėčias. Grotelių bokšto privalumas yra tas, kad jis pigesnis.
• Anemometras ir vėjo mentė: Naudojami vėjo greičiui ir krypčiai matuoti.
• Vairas: Maža vėjo turbina (paprastai 10 kW ir mažesnė), dažniausiai sukama horizontalioje ašyje vėjo kryptimi. Ji yra už besisukančio korpuso ir sujungta su besisukančiu korpusu. Pagrindinė jos funkcija - reguliuoti ventiliatoriaus kryptį taip, kad ventiliatorius būtų nukreiptas vėjo kryptimi. Antroji funkcija - esant stipriam vėjui, nukreipti vėjo turbinos galvutę nuo vėjo krypties, taip sumažinant greitį ir apsaugant vėjo turbiną.

Vėjo turbinų gedimai ir priežiūra

Dažniausi vėjo turbinų gedimai yra elektros ir mechaniniai. Jautrios elektroninės sistemos ir svarbūs komponentai yra labai jautrūs tokiems gedimams, neigiamai paveikiantiems našumą, veikimo laiką ir patikimumą.

Dažni gedimai:

• Pavarų dėžės gedimai: Pavarų dėžės pavaros gali būti susidėvėjusios, taip pat gali sugesti alyvos siurblio variklis.
• Elektros gedimai: Brangūs ir dažniausiai pasitaikantys gedimai.
• Mechaniniai gedimai: Nors ir retesni, metaliniai komponentai reaguoja į drėgmę, laikui bėgant silpnina ir blogina dalis, tokias kaip pavarų dėžė, guoliai ir dreifuojanti pavara.

Temperatūros ir drėgmės sąlygos vėjo turbinų viduje priklauso nuo sezoninių svyravimų. Nė viena vėjo jėgainė nėra sandari, todėl oro filtravimas visada reikalingas iš lauko į vėjo turbiną, pernešant drėgmę ir, priklausomai nuo vietos, druską. Santykinei oro drėgmei viršijus 60 procentų, ant šaltų paviršių bokšto ir projektoriaus viduje susidaro kondensatas.

Vėjo turbinų techninė priežiūra yra visapusiškas procesas, užtikrinantis jos patikimumą ir efektyvumą per visą eksploatavimo laikotarpį. Reguliarūs patikrinimai yra būtini, kad būtų galima pastebėti pagrindinių turbinos komponentų, tokių kaip mentės, pavarų dėžė, generatorius ir rotorius, nusidėvėjimą. Svarbi vėjo turbinų techninės priežiūros dalis yra varžtų išmontavimas ir surinkimas, dažnai atliekamas dideliame aukštyje atliekant lauko darbus. Šie varžtai turi būti priveržti pagal tikslias specifikacijas, užtikrinant turbinos struktūrinį vientisumą.

Vėjo energetikos plėtra ir pranašumai

Vėjo energijos gamyba per pastaruosius du dešimtmečius labai išaugo. Dėl vėjo energijos technologijų pažangos vėjo energijos gamybos sąnaudos buvo labai sumažintos. Šiuolaikiniai dizainai leidžia ekonomiškai efektyviai naudoti oro srautą, naudojant jį elektros energijai gaminti.

Vėjo prietaisų pranašumai:

• Draugiškumas aplinkai: Naudoja atsinaujinantį energijos šaltinį, nekenkiant aplinkai.
• Universalumas: Galima statyti beveik visur, ypač vertinama atokiose vietose.
• Naudojimo efektyvumas: Perdirba net ir lengvo vėjo energiją.
• Verta alternatyva tradiciniams šaltiniams: Gali visiškai tiekti elektrą gyvenamajam namui ar net mažam gamybos įrenginiui.
• Pelningumas: Gali žymiai sumažinti energijos sąnaudas, pigesnis nei prijungimas prie esamų elektros sistemų.

Vėjo jėgainės yra universalūs įrenginiai, skirti įvairiems energijos poreikiams. Vėjo jėgainės efektyviai krauna akumuliatorius, užtikrinant elektros energijos tiekimą atokiose vietovėse ar sodybose be centralizuotos elektros. Tokios sistemos užtikrina nuolatinį veikimą net atokiose vietovėse, kur nėra galimybės prijungti prie elektros tinklo. Šios sistemos dažnai derinamos su saulės moduliais, kad užtikrintų energijos tiekimą visą parą. Vėjo jėgainės tinkamos naudoti regionuose, kur elektros tiekimas nepastovus arba išvis nėra prieinamas. Derinant su saulės baterijomis, jos suteikia stabilų energijos tiekimą net esant permainingoms oro sąlygoms. Vėjo jėgainės generuoja elektros energiją be papildomų kuro išlaidų, todėl ilgainiui investicija atsiperka. Lyginant su saulės elektrinėmis, vėjo jėgainės gali gaminti energiją net ir debesuotomis dienomis bei naktį, todėl yra ekonomiškai naudingesnės mišraus klimato sąlygomis. Vėjo jėgainės leidžia gaminti elektrą nepriklausomai nuo centralizuoto elektros tinklo. Po pradinių investicijų eksploatacijos išlaidos yra minimalios. Vėjo jėgainės puikiai dera su saulės elektrine, nedideli komplektai tinkami mažose sodybose, žvejyboje, gamtoje. Ir įsirengus galingą vėjo jėgainę su didesniu kiekiu saulės modulių, elektros galima pasigaminti ne tik buitiniams prietaisams, bet ir namo šildymui.

Vėjo energetika Lietuvoje ir pasaulyje

Lietuvoje veikiantys vėjo jėgainių parkai pagamino reikšmingą kiekį elektros energijos, o bendra instaliuota galia siekia 480 MW. Daugiausia naujų vėjo jėgainių 2019 m. iškilo Europoje, tačiau norint įgyvendinti Europos Žaliajame susitarime iškeltus tikslus, vėjo energetikos plėtra turėtų būti dar spartesnė.

Pirmosios pasaulyje automatinės vėjo turbinos buvo išrastos 1888 m. Iki XX a. 4-ojo dešimtmečio vidurio daugelis Amerikos kaimiškų vietovių priklausė nuo vėjo energijos, tačiau išsiplėtus elektros linijoms, vėjo jėgainės išnyko.

Didelės vėjo jėgainės tampa vis svarbesniu atsinaujinančios energijos šaltiniu, daugelis šalių jas naudoja, siekdamos sumažinti energetinę priklausomybę nuo iškastinio kuro. Nors jūrinė energetika vis dar gan jauna sritis, jūros vėjo jėgainių parkai tampa vis patrauklesne investicija visame pasaulyje. Vėjo parko statybos procesas skirstomas į tris etapus: projektavimą, prieš statybinį etapą ir įrengimą. Pirmasis etapas, kurį sudaro projekto kūrimas, plėtra ir planavimas gali trukti nuo 3 iki 5 metų. Vėliau apie 1-3 metai skiriami prieš statybiniam etapui, kurio metu identifikuojamos reikalingos sutartys ir kiti teisiniai reikalavimai.

Kiekvienas vėjo parkas skiriasi savo dydžiu ir galia, bet vidutiniškai viena vėjo turbina gali sugeneruoti iki 3000 kWh per metus. Vėjo parkai padeda mažinti energetinę priklausomybę nuo iškastinio kuro, leidžia sutaupyti bei mažina bendrą į aplinką išmetamų CO2 dujų kiekį. Kiekvienas jūros vėjo jėgainių parkas turi transformatorines platformas (angl. substation), kurios surenka ir transformuoja pagamintą elektros energiją bei paruošia ją perduoti į krantą. Transformatorinės platformos yra įrengtos atviroje jūroje, kur būdingos ekstremalios oro sąlygos tokios kaip stiprūs vėjai ar bangos, todėl jos suprojektuotos taip, kad atlaikytų atšiaurią jūros aplinką ilgus metus.

Vėjo turbinų statyba - tai ilgalaikė investicija į švaresnę ateitį. Šiuo metu statomi vėjo parkai numatomi veikti bent 25-30 metų. Todėl jūros vėjo parkų konstrukcijos yra gaminamos ir įrengiamos ypač atsakingai - vėjo turbinos turi atlaikyti jūrines audras, bangavimą bei būti atsparios jūros druskingumui ir korozijai. Vėjo turbinos atsipirkimo laikotarpis šiuo metu siekia 6 metus. Po šešerių metų eksploatacijos įrengta vėjo turbina pradeda generuoti pelną, kuris gali siekti nuo 50 iki 80 tūkst. Eur. per metus. O vėjo jėgainių parkas, kurį sudaro 80 turbinų, sugeneruoja net iki 6.5 mln.

Didžiausios pasaulio vėjo turbinos

• „GE Haliade-X“: iki šiol buvo didžiausia jūrinė vėjo turbina pasaulyje. Šių turbinų statybos turi prasidėti 2025 metais. Rotoriaus skersmuo - 220 metrų, o galia - 14 MW. 2018 m. Roterdamo uoste kaip prototipas pradėta statyti „Haliade-X“ vardu pavadinta 12 MW galios konstrukcija siekia 260 m aukščio - daugiau nei 3 kartus aukštesnė nei tipinės vėjo jėgainės. Jos rotoriaus diametras prilygsta futbolo aikštės ilgiui - 220 m. „Haliade-X“ vėjo jėgainė per metus, esant įprastoms oro sąlygoms, sugeba pagaminti 67 GWh elektros energijos, arba 45 proc. daugiau nei bet kuri kita jau egzistuojanti jūrinė vėjo jėgainė. Vienos vėjo jėgainės pagaminamo energijos kiekio visiškai užtektų 16 tūkst. namų ūkių.
• „Siemens Gamesa Renewable Energy“: šiuo metu taip pat kuria 14 MW turbiną, kurios galia galės būti padidinta iki 15 MW. Tokio dydžio jėgainės gali būti statomos tik jūroje.
• Danų „Vestas“ V236-15.0MW: pristatė naują projektą. Šiame pavadinime ir slypi pagrindiniai naujos turbinos duomenys. Rotoriaus skersmuo - 236 metrai. Galia sieks 15 MW. „Vestas“ skaičiuoja, kad per metus tokia jėgainė pagamins 80 GWh energijos, kurios pakaktų maždaug 20 tūkstančių Europos namų. Taip bus sutaupyta 38 tūkstančiai tonų anglies dioksido emisijų - lyg iš kelių būtume pašalinę 25 tūkstančius automobilių. Pirmasis prototipas turėtų būti pastatytas jau kitais metais. Serijinė tokių jėgainių gamyba prasidės 2024-aisiais. Tokios didelės vėjo turbinos iš tikrųjų padeda sumažinti energijos gamybos kaštus, todėl tikėtina, kad ateityje jų bus daugiau.

Tiesioginės pavaros vėjo turbinos

2011 m. kovo 6 d. technologijų ir inovacijų bendrovė „Siemens“ Briuselyje vykstančioje vėjo energetikos parodoje EWEA 2011 pristatė tiesioginės pavaros vėjo turbiną be reduktoriaus. Ši turbina turi nedidelį ilgaamžį pastovių magnetų generatorių. Toks generatorius nereikalauja žadinimo energijos, žadinimo valdymo sistemos, todėl vėjo turbina su tokiu generatoriumi turi aukštą efektyvumo rodiklį net esant mažoms apkrovoms. „Siemens“ pristatytos naujosios bereduktorinės turbinos, kuri žymima SWT-2.3-113 pavadinimu, galia siekia 2,3 megavatus (MW). Turbina varoma naujais „Siemens B55 Quantum Blades“ sparnais, o rotoriaus diametras siekia 113 metrų. Pirmasis naujos jėgainės prototipas jau veikia Olandijoje.

SWT-2.3-113 yra antroji „Siemens“ sukurta bereduktorinė vėjo jėgainės turbina - pirmasis toks modelis SWT-3.0-101 pasirodė praėjusių metų balandį. Kaip ir pirmtakei, naujos kartos turbinai užtenka tik pusės dalių, kurių reikėtų tradicinei vėjo jėgainei, taip pat montuojama mažiau judančių mechanizmų. „Turbinos be reduktoriaus reikalauja mažiau priežiūros ir sutaupo tam skirtas išlaidas. Be to, šis modelis plačiai pritaikomas įvairiose vietovėse, kur vyrauja silpni ir vidutiniai vėjo greičiai, kaip, kad mūsų Baltijos šalių regionas - jo lengvasvorė konstrukcija efektyviai generuoja energiją esant nedideliam vėjo greičiui“, - sakė „Siemens“ energijos gamybos padalinio Lietuvoje direktorius Mindaugas Žilinskas.

Drauge su SWT-2.3-113 „Siemens“ pristatė naujos kartos rotoriaus sparnus „Quantum Blades“, kurie nors ir būdami lengvesni už ankstesnius modelius, pasižymi didesniu tvirtumu. Sparnams sukurta nauja viršūnė, kuri leidžia sumažinti apkrovas ir triukšmo lygį. Sparnų ir vėjo turbinos SWT-2.3-113 skleidžiamas garsas siekia tik 105 decibelus (dB) - tai vienas mažiausių rodiklių vėjo jėgainių rinkoje.

Penkios „Siemens“ pirmosios kartos, SWT-3.0-101, bereduktorinės turbinos, kurios kiekviena generuoja 3 megavatus (MW) energijos, sukonstruotos ir naudojamos Danijoje ir Norvegijoje. Tiesioginės pavaros „Siemens“ vėjo jėgainių projektai taip pat planuojami Jungtinėse Amerikos Valstijose, Danijoje ir Vokietijoje. „Šiemet planuojame išleisti ir šešių megavatų tiesioginės pavaros turbiną, kuri geriausiai tiks dideliems, toli nuo kranto jūroje esantiems vėjo jėgainių parkams“, - teigė M. Žilinskas.

„Siemens“ bendrovė drauge su alternatyvios energijos projektų plėtros įmonių grupe „4energia“ taip pat įrenginėja vėjo jėgainių parką Lietuvoje, Šilalės rajone. Statomame „žalios energijos“ parke veiks 6 „Siemens“ vėjo jėgainės, kurių gaminamos elektros energijos - daugiau nei 40 tūkst. MWh - pakaks aptarnauti visus tokio miesto kaip Mažeikiai ar Jonava gyventojus. Vėjo energetikos sprendimai priklauso „Siemens“ kuriamų aplinkai draugiškų technologijų. Per 2010 finansinius metus iš aplinkai draugiškų technologijų ir produktų „Siemens“ uždirbo 28 mlrd. eurų ir tapo didžiausia „žaliųjų“ technologijų tiekėja pasaulyje. Per tą patį laikotarpį, nuo 2009 m. spalio 1 dienos iki 2010 m. rugsėjo mėn. 30 d., „Siemens“ sukurti sprendimai visame pasaulyje sumažino anglies dvideginio (CO2) emisiją 270 mln. tonų, tai yra tiek, kiek kasmet CO2 į aplinką išmeta didmiesčiai Hongkongas, Niujorkas, Londonas, Tokijas, Delis ir Singapūras.

tags: #daugiau #rotorine #vejo #turbina