Vėjo turbinos: veikimo principai, tipai ir ateities perspektyvos

Vėjo turbinos yra esminiai atsinaujinančios energijos šaltiniai, paverčiantys kinetinę vėjo energiją mechanine galia, o galiausiai - elektra. Šių masyvių konstrukcijų projektavimas ir gamyba yra sudėtingi, reikalaujantys tikslumo kiekviename gamybos ir surinkimo etape. Ne mažiau svarbi ir vėjo turbinų priežiūra, nes jos veikia atšiauriomis oro sąlygomis ir nuolat juda.

Vėjo energija yra vienas iš perspektyviausių atsinaujinančios energijos sektorių. Šiuolaikiniai dizainai leidžia ekonomiškai efektyviai naudoti oro srautą, naudojant jį elektros energijai gaminti.

Vėjo turbinų veikimo principas

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, o galutinė įranga gamina kintamąją elektros energiją. Vėjo turbinos paprastai turi vėjo turbinas (mėnes), generatorius (įskaitant įrangą), moduliatorių (uodegą), bokštą, saugumo agentūrų greičio ribą ir energijos kaupimo įrenginį, pvz., komponentus. Rotorius sukasi veikiant vėjui, tai vėjo kinetinė energija virsta vėjo rato veleno mechanine energija, generatorius pagal vėjo rato sukimosi pavarą gamina elektrą.

Vėjo turbinų konstrukcija ir tipai

Vėjo turbinos konstrukcija apima kelis pagrindinius komponentus, kurie kartu užtikrina efektyvų energijos gavimą.

Horizontalios vėjo turbinos

Klasikiniai horizontalūs vėjo generatoriai 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, atsispindintis nuo šių elementų. Tokie įtaisai montuojami vėjo jėgainėse, kur energija gaminama pramoniniam ir komerciniam naudojimui, tačiau jie taip pat tinka naudoti buityje.

Vertikalios vėjo turbinos

Vertikalios vėjo turbinos, 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.

Vėjo generatorių 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.

Pagal konstrukciją

• Klasikiniai horizontalūs vėjo generatoriai: Taip pat vadinami sraigtais arba mentėmis, paprastai turi 3-5 ašmenis, sumontuotus ant horizontalios ašies.
• Vertikalios vėjo turbinos: Aktyvus elementas yra besisukantis vėjo ratas. Dizaino ypatybės skiriasi pagal tipą („Barrel“, „Savonius“).

Vėjo turbinų komponentai ir jų funkcijos

Vėjo turbiną sudaro daugybė komponentų, kurie užtikrina jos veikimą:

• Generatorius (AC): Gamina elektrą, kurios galia priklauso nuo vėjo srauto greičio.
• Ašmenys: Perduoda sukimąsi į generatoriaus veleną.
• Vėjo malūno stiebas: Prie jo pritvirtintos mentės, didesnis aukštis leidžia priimti daugiau vėjo energijos.
• Akumuliatoriai: Kaupia energiją, leidžiant ją naudoti esant mažam vėjo srautui arba jo visiškai nėra. Taip pat stabilizuoja generatoriaus gaunamą energiją.
• Valdiklis: Keitiklis, paverčiantis generatoriaus gaunamą kintamą įtampą į nuolatinę srovę akumuliatoriui įkrauti.
• ABP (automatinis perjungimo įtaisas): Jungia vėjo generatorių su kitais energijos šaltiniais.
• Vėjo krypties jutiklis: Padeda mentėms rasti vėjo srautą.
• Keitiklis: Konvertuoja nuolatinę akumuliatorių srovę į kintamą įtampą, naudojamą elektros ryšiuose. Yra įvairių tipų keitiklių, įskaitant tuos, kurie naudoja modifikuotą arba gryną sinuso bangą, taip pat tinklo keitiklius, veikiančius be baterijų.

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.

Techninė priežiūra

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.

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.

Naujos kartos vėjo turbinos: estetika ir funkcionalumas

Didelės vėjo jėgainės tampa vis svarbesniu atsinaujinančios energijos šaltiniu, daugelis šalių jas naudoja, siekdamos sumažinti energetinę priklausomybę nuo iškastinio kuro. Nors dažniausiai off-grid idėjose saulės elektrinės yra pagrindinis energijos šaltinis, patikimai visus metus šios elektrinės dirbti gali ten, kur šilta, kur saulė šviečia bent 300 dienų per metus. Europoje tai - pietų Italija ir Prancūzija, Graikija, Ispanija. Tačiau Šiaurės Europoje saulės elektrinės didžiąją dalį elektros energijos gamina vasarą ir jos perteklių atiduoda elektros tinklams. Vėlyvą rudenį, žiemą elektros tinklų pasaugotą elektros energiją galima susigrąžinti, bet tai jau nėra tikrasis off-grid, nes negalima būti visiškai atsijungus nuo tinklo, jei nori susigrąžinti tai, ką pagaminai vasarą. Nebent namuose bus įrengtos labai talpios ir nepigios baterijos, kurios galės saugoti bent keturiems mėnesiams reikalingą elektros energiją.

Vėjo blokai - vizualiai patrauklus ir, pasak jų kūrėjų, efektyvus elektros energijos šaltinis. Joe Doucet, Niujorke gyvenantis dizaineris ir verslininkas, teigia, kad vėjo turbinos žmonėms dažniausiai asocijuojasi su kur nors laukuose stovinčiais dideliais vėjo malūnais. O ką, jei vėjo jėgainę pastatytumėte savo individualaus namo kieme? Juk, skirtingai nei saulės elektrinė, vėjo jėgainė veikia ištisus metus, išskyrus tas dienas, kai nėra vėjo. Manote, kad tai būtų neestetiška ir nefunkcionalu? Tiesa, jei kalbame apie įprastus sprendimus, bet jų yra visiškai kitokių - tai modernūs vėjo turbinų blokai, kurie ne tik gamina elektrą, bet ir pasižymi patrauklia išvaizda. Pažvelgus į J. Doucet sukurtą vėjo bloką, sunku pasakyti, kad tai vėjo turbina. J. Doucet teigimu, toks vėjo turbinų blokas per metus galėtų pagaminti iki 10 000 kWh energijos, kurios turėtų pakakti visam namui aprūpinti energija.

Teoriškai būtent tokios kompaktiškos konstrukcijos gali labiausiai prisidėti prie žmonijos perėjimo nuo iškastinio kuro prie atsinaujinančiųjų energijos šaltinių. Galingoms vėjo turbinoms ar ištisiems vėjo jėgainių parkams reikia tinkamų sąlygų - gana didelės atviros teritorijos ir milžiniškų investicijų, todėl jie tikrai neatsiras visose įmanomose vietose ir neatsiras taip greitai, kaip norėtume. Tačiau jei būtų galima palyginti nedidelėmis sąnaudomis šalia savo namų pasistatyti nuosavą vėjo turbinų sieną, tokiam energijos gamybos variantui išplitus ekonomija būtų milžiniška. J. Doucet teigimu, toks vėjo turbinų blokas per metus galėtų pagaminti iki 10 000 kWh energijos, kurios turėtų pakakti visam namui aprūpinti energija.

Vienas iš J. Doucet pasiūlymų - 2,4 m aukščio ir 7,6 m ilgio vėjo turbinų blokas (J. Doucet blokų asortimentas nuolat plečiamas, papildant naujų formų, spalvų turbinomis). Bloke yra 25 vertikalios turbinos, kiekviena prijungta prie 400 W generatoriaus, tad bendra didžiausia galia siekia 10 kW. J. Doucet sako, kad jo turbinų darbas beveik tylus ir visiškai saugus net mažiems vaikams, nes, net ir vaikui prisilietus prie kažkurios turbinos, ji tiesiog sustoja. Dešimt kilovatų skamba visai neblogai ir jei tokia galia užtikrinama ir dieną, ir naktį, per parą mes gautume 240 kWh energijos. Tačiau problema ta, kad vėjas visą laiką nepučia. Vidutinis vėjo turbinų našumo koeficientas JAV, kur jas galima statyti itin atvirose vietose ir jų plotai yra didžiuliai, yra apie 35 proc., taigi, jei šie turbinų blokai veiktų panašiu našumu kaip didžiulės trijų menčių pramoninės vėjo turbinos, išsibarsčiusios vėjuotose Amerikos pakrantėse, galėtumėte tikėtis 84 kWh per dieną. Tačiau greičiausiai taip nebus, nes, aerodinamikos specialistų teigimu, vertikalią ašį turinčios turbinos veikia ne taip efektyviai. Panašiai atrodančių trijų menčių pramoninių vėjo jėgainių visos mentės visada atsuktos į vėją ir visas jas nuolat veikia vėjas, tačiau vertikalią ašį turinčios turbinos yra kitokios konstrukcijos ir vienu metu vėją naudingai gaudo tik pusės menčių paviršius, kita pusė menčių irgi gaudo vėją, bet jau ne padeda turbinai suktis, o stabdo. Dar viena problema - tokie vėjo blokai skirti montuoti ant žemės šalia namų, o ne aukštai, atvirose vietose, kur pučia stipresni vėjai. Taigi daugelyje vietų tokių vėjo jėgainių efektyvumas gali pasirodyti gerokai mažesnis, nei tikimasi. Be to, J. Doucet blokų dizainas yra labai patrauklus, o praktika rodo, kad tokiuose sprendimuose dizainu rūpintasi labiau nei praktine puse.

Vėjo skydai: Lenkijos startuolio indėlis

Lenkų startuolis „Panel Wiatrowy“ tikina, kad, 2018 m. Opolėje pradėję kurti vėjo blokus, jie buvo pirmieji pasaulyje, sukūrę realiai veikiantį ir elektrą gaminantį prototipą. „Panel Wiatrowy“ įkūrėjai Tomaszas Gruszka, Rafałas Juszko ir Arkadiuszas Zemlakas sako, kad jų siekis - sukurti naujos kartos vėjo turbinas, tam tikromis savybėmis pranokstančias šiuo metu žinomas vėjo energijos gamybos technologijas. „Panel Wiatrowy“ savo konstrukciją vadina vėjo skydu ir teigia, kad tokia skydų sistema efektyviai elektros energiją gali gaminti būtent Europos šalyse, kur nėra daug atvirų erdvių, kur dideli plotai užstatyti ir dominuoja mažo greičio vėjai. „Panel Wiatrowy“ specialistai sako, kad jų skydai puikiai veikia bet kurioje vietovėje - tiek mieste, tiek užmiestyje. Skydai estetiški, netriukšmingi, neturi neigiamo poveikio žmonių sveikatai, neturi neigiamos įtakos estetinei kraštovaizdžio ar aplinkos vertei. „Panel Wiatrowy“ šiuo metu siūlo populiariausių individualioje statyboje spalvų skydus - pilkus ir juodus.

Vėjo skydų montavimo galimybės

Skydas gali būti namo kieme laisvai stovinti konstrukcija, gali būti montuojamas tarp tvoros stulpų kaip tvoros elementas, ant balkono, ant namo stogo, gali būti pastatyta prie namo sienos, atitraukus tam tikru atstumu. Kalbant apie galią, pateikiami tokie skaičiai: 10 m ilgio tvoros atkarpa generuoja 1 kW galios, tad, tarkim, jei standartinį 6 arų sklypą aptveriate tokia tvora iš keturių pusių, gausite 10 kW. O juk individualių namų savininkai dažniausiai ir renkasi maksimaliai kompensuojamą saulės elektrinės galią - 10 kW. Tokios saulės elektrinės vidutiniškai gamina apie 10 000 kWh. Tačiau saulės elektrinė dažniausiai nuo lapkričio iki kovo nieko negamina, o vėjo skydai dirbs nuolat, išskyrus esant visiškam štiliui.

Tiesa, iš visų keturių pusių aptverti namą tik vėjo skydais - šiek tiek utopinė idėja, jau vien dėl to, kad dauguma individualių namų nėra vienkiemiai ir turi bendras tvoras su savo kaimynais, tačiau visada galima ieškoti derinių - dalis vėjo skydų tvoroje, dalis ant balkono, keli gali formuoti pavėsinės sieną ir panašiai. Be to, tokia vėjo jėgainė puikiai papildo ant stogo sumontuotą saulės jėgainę ir taip leidžia diversifikuoti atsinaujinančiosios energijos gamybą. Abu įrenginiai užima skirtingą erdvę ir vienas kitam netrukdo, o svarbiausia, kad saulės elektrinės trūkumus atsveria vėjo skydo, galinčio gaminti elektros energiją naktį ar apniukusiomis dienomis, pranašumai. Nors „Panel Wiatrowy“ projektas nėra tokio patrauklaus dizaino kaip J. Doucet pasiūlymai, tačiau jis realistiškesnis, nes lenkai daugiau koncentruojasi į techninę dalį.

Vėjo turbinos ir ventiliacija: "pakinkytas vėjas" kamine

Vėjo turbinos - tai „pakinkytas vėjas” jūsų kamine. Vėjo turbinos skirtos pagerinti natūralią trauką vėdinimo kanaluose.

Inovacijos vėjo turbinų technologijoje: Mats Leijon turbina "Windformer"

Tradicinėse vėjo turbinose besisukančios mentės per veleną yra sujungtos su viduje esančiu generatoriumi. Tą generatorių paprastai reikia sukti dideliu greičiu, todėl velenas yra pagreitinamas nuo 18 apsukų per minutę iki 1500 panaudojus krumpliaračius. Tai nėra vienintelis jų trūkumas. Vėjo generatorių sukuriama įtampa yra per maža elektros energijos perdavimui didesniu nuotoliu. Sukuriamos kintamosios srovės įtampa yra pakeliama naudojant transformatorių, bet net ir tai visiškai problemos išspręsti negali. Kintamoji elektros srovė linkusi tekėti paviršiniu laidų sluoksniu, todėl padidėja laidų varža ir daugiau energijos prarandama dėl šiluminių nuostolių.

Dabar Matsas Leijonas iš švedų kompanijos ABB sukonstravo turbiną, kuri, jo nuomone, padės šias problemas įveikti. Vietoje mažo generatoriaus, besisukančio dideliu greičiu, Leijono turbinoje "Windformer" yra didelis rotorius, apsuptas daug pastovių magnetų, veikiantis net ir tuomet, kai mentės sukasi lėtai - taigi jam nereikia krumpliaračių pavaros. Leijono generatorius taip pat sukuria aukštą įtampą, todėl transformatoriaus irgi galima atsisakyti. Kai komponentų mažiau, įrenginys tampa patikimesnis ir jo priežiūrai prireiks mažiau sąnaudų. Be to, Leijonas pagalvojo ir apie tai, kaip geriau perduoti energiją dideliu nuotoliu. Kintamoji srovė yra išlyginama ir paverčiama pastoviąja, kurią vėliau galima perduoti ilgu aukštos įtampos kabeliu.

tags: #vejo #turbinos #turbovent