Větrný generátor: princip fungování a jeho struktura, budoucnost větrné energie v Rusku

Vítr přišel do služeb člověka před tisíci lety, od doby objevení se první plachetnice a stavby prvního větrného mlýna. Dnes se větrná energie přeměňuje na elektřinu pomocí větrných generátorů, které se spojují do jednotných sítí – větrných elektráren. Pojďme zjistit, jak jsou větrné generátory navrženy, proč dosahují stále výš a výš a jaké faktory, kromě nestálosti větrů, jim nedovolí nahradit tradiční energii na dlouhou dobu.

Jak získat elektřinu z větru

Nejprve musíte „dostat“ samotný vítr a důvod jeho výskytu je daleko za Zemí. Povrch naší planety je nerovnoměrně zahříván slunečními paprsky. Teplý vzduch stoupá vzhůru a je nahrazen vzduchovými hmotami z chladnějších oblastí – tak začíná vzájemný pohyb vzduchových hmot, kterému říkáme vítr.

Vítr naráží na lopatky větrného generátoru a otáčí je. Kinetická energie vzdušných hmot se přeměňuje na mechanickou energii lopatek, které jsou napojeny na elektrický generátor. Jeho dvě hlavní části jsou stator a rotor. Prostřednictvím pohonů se mechanická energie lopatek přenese na rotor a ten se začne otáčet. Jak se ale mechanická energie mění na elektrickou?

Kolem rotoru a statoru jsou navinuty dráty, uvnitř kterých jsou volné nosiče elektrického náboje – elektrony. K tomu, aby uspořádaně běžely po vodiči a proměnily se v elektrický proud, který všichni známe v zásuvce, potřebují „motivaci“ – elektrické pole. Části generátoru jsou vyrobeny z magnetických materiálů, má tedy magnetické pole, jehož parametry se mění s otáčením rotoru. Podle zákona elektromagnetické indukce vytváří magnetické pole s měnícími se parametry (střídavé) kolem sebe stejné střídavé elektrické pole, které „vykopává“ volné elektrony z vinutí generátoru do elektrického vedení a odtud do našich zásuvek.

Pokud jezdíte na kole s nainstalovanou baterkou, která se rozsvítí díky otáčení pedálů, pak v systému „man-pedals-lantern“ budete takzvanou pracovní tekutinou, stejně jako vítr pro větrný generátor. Pedály v tomto příkladu simulují pádla. Přeměníte svou mechanickou energii na energii elektromagnetickou, díky čemuž bude baterka jasně svítit. Ve skutečnosti je to princip fungování jakéhokoli elektrického generátoru a je stejný ve vodních, tepelných a jaderných elektrárnách. Rozdíl je v tom, jaká pracovní tekutina se používá – vzduch, voda nebo horká pára.

Co brání větrné energii v dobývání světa?

Vítr je bezplatný zdroj energie, ale častěji se mluví o vysokých nákladech na elektrárny. Uhlí, ropa a plyn tvoří více než 2/3 celkové celosvětové spotřeby elektřiny, zatímco větrná energie představuje pouze 6 %, a to i přes její rychlý rozvoj za posledních 20–30 let. Proč lidstvo ještě úplně nepřešlo na větrné mlýny?

Vítr ne vždy fouká, jeho rychlost je proměnlivá, jeho chování je obtížné předvídat a někdy vůbec neexistuje: námořníci tomu říkají klid. Bezvětří znamenalo pro mlynáře finanční ztráty: pytle s obilím se hromadily a museli čekat nebo mlýnské kameny otáčet pomocí zvířat. Nyní klid ruší energetiky. Lidstvo se nemůže stát závislým na tak nespolehlivém zdroji. Bez ohledu na to, jak se bude větrná energetika vyvíjet, pojistkou budou vždy záložní plynové nebo uhelné stanice, které bude nutné spustit při slabém nebo žádném větru.

Energie, kterou může vítr vytvořit, je úměrná třetí mocnině jeho rychlosti: E ~ v 3. Pokud se rychlost větru zdvojnásobí, produkce energie se zvýší osminásobně; s nárůstem třikrát – 27krát. Při průměrné rychlosti větru pod pět metrů za sekundu nemá smysl stavět větrné farmy, jde o „peníze do kanalizace“ v doslovném smyslu. Vzhledem k různým rychlostem větru v různých zemích není větrná energie zjevně schopna dobýt všechny oblasti světa.

Větrné stanice vyžadují hodně místa: větrné generátory musí být umístěny tak, aby jeden nespadl do „stínu větru“ druhého, což zpomaluje rychlost větru. Empirický vzorec L = 10*H (kde L je vzdálenost mezi generátory a H je výška, ve které se nacházejí) ukazuje, že pokud je výška stožáru generátoru 100 metrů, vzdálenost mezi stožáry by měla být min. kilometr. Větrné elektrárny vyžadují obrovskou plochu a v hustě obydlených oblastech pro ně nemusí být dostatek místa. Například západní Evropa dosáhla limitů růstu větrných elektráren a tempo výstavby nových elektráren v posledních letech výrazně pokleslo.

Větrné generátory se zvedají výš a výš – tam vítr fouká silnější a stabilnější a jsou také odváženy na mořský šelf – staví se pobřežní větrné elektrárny. Generátory jsou umístěny na stožárech vysokých více než 100 metrů a možná v příštích letech bude „vzata“ výška 200 metrů. Vysoké stožáry zvyšují produktivitu, ale také stojí více.

Konečně jsou tu zákony aerodynamiky, dobře prostudované našimi vědci: moderní světová větrná energie vzrostla, a to i na základech sovětské aerodynamické školy. Podle zákona Žukovského-Betze nemůže větrná turbína v zásadě využít více než 59,3 % (nebo 16/27) větrné energie, která jí byla dodána. Poměr skutečně vyrobené energie k maximu teoreticky možnému u větrných stanic přitom nepřesahuje 30 %. U tepelných stanic je obvyklá hodnota tohoto ukazatele 60 %.

Budoucnost větrné energie

Podíl větru na celosvětové výrobě elektřiny poroste, tažen především Čínou, Indií, Brazílií a dalšími zeměmi Asie, Latinské Ameriky a Afriky, kde je prostor pro větrné farmy a příznivé povětrnostní podmínky. Důležité je následovat přírodu. Například existuje zóna silných konstantních pasátů vanoucích na obou polokoulích od 30 zeměpisných šířek k rovníku. Možná právě zde za desítky let vznikne globální centrum větrné energie nebo dokonce pás.

V Rusku bylo za posledních 3–5 let postaveno několik velkých větrných elektráren a jejich celková kapacita na začátku roku 2022 přesáhla dva gigawatty. V tuto chvíli je to 1 % všech našich energetických kapacit a dokážou vyrobit maximálně 0,5 % veškeré potřebné elektřiny. Na většině našeho území jsou větry výrazně slabší než například na západoevropském území obráceném k Atlantiku. V Rusku však existují území s dobrými větrnými podmínkami – na mořském pobřeží, v stepních a podhorských oblastech.

Naše země má tu výhodu, že má vlastní výkonnou výzkumnou a výrobní školu související s větrnou energií. Nápady a vývoj vznikají ve vědecké komunitě. Země má podniky na výrobu zařízení pro větrnou energii, postavené i v posledních letech. To vše nám však umožňuje mluvit o větrné energii v Rusku jen s opatrným optimismem.

<b>JEDNODUŠE O KOMPLEXU</b>

Větrný generátor je zařízení, které vyrábí elektřinu z větru. Zhruba řečeno: na konci je tyč s ventilátorem. Když je vystaven větru, ventilátor se otáčí a tím vyrábí elektřinu. V článku jsem uvedl velmi zjednodušený diagram, který si rozebereme trochu podrobněji. Hlavní výhodou větrného generátoru je využití větru. Protože vítr je zdarma, utrácíte peníze pouze za nákup a instalaci vybavení.

<b>ÚVOD</b>

Pokračujeme v seznamování s využitím alternativní energie, dnes si povíme něco o větrných generátorech, jaké existují typy, jaké jsou výhody a nevýhody tohoto způsobu výroby energie, jak vypočítat přibližný výkon větrného generátoru a mnoho více. Pozorný čtenář řekne, že jsem nestihl pořádně a důkladně vysvětlit použití solárních panelů a okamžitě přešel na větrné generátory. Bylo to provedeno záměrně, protože VAROVÁNÍ. – pokud máte v úmyslu KOMPLETNĚ přejít na využívání alternativní energie, pak vám samotné solární panely stačit nebudou, stejně jako nebude stačit používat POUZE větrné generátory. Tyto metody mohou a měly by být kombinovány pro pojištění a navíc mít dieselový/benzinový generátor pro každý případ. Zlaté pravidlo nedržet všechna vejce v jednom košíku se zde stává prvořadým.

<b>Co se naučíte:</b>

• Jaké jsou typy větrných generátorů?
• Jaké komponenty jsou součástí standardní větrné turbíny?
• Které součásti jsou nejvíce náchylné na opotřebení?

<strong>Princip činnosti větrného generátoru<br /></strong>

Vyloučení odpovědnosti): Článek byl napsán pro klienty, tedy pro lidi, kteří nemají technické vzdělání. Bylo samozřejmě možné napsat technický článek, na jehož základě by si člověk mohl sám sestavit a provozovat větrný generátor, ale já takový cíl nesleduji. Mým úkolem je vysvětlit princip fungování, jak jej používat, co je součástí systému a základní pojmy a pojmy tak, aby se každý na základě tohoto článku mohl do tématu ponořit, jak uzná za vhodné.

Takže, začněme. Větrný generátor je speciální zařízení schopné přijímat elektřinu z větru. Znění je tak-tak, tak trochu podrobněji:

Větrný generátor je zařízení, které přeměňuje kinetickou energii větru na mechanickou energii rotoru, kterou stator přeměňuje na elektrický proud.

Pro netechnické lidi vysvětlíme (jelikož uvažujeme o výrobě elektřiny, uvažujeme pouze rotor a stator elektromotoru):

Kinetická energie je energie vytvářená pohybujícím se tělesem (v tomto případě větrem)

Mechanická energie je energie spojená s pohybem nebo polohou předmětu, schopností vykonávat mechanickou práci (v tomto případě rotor, který se otáčí)

Rotor je rotující část elektromotoru, často nazývaná kotva.

Stator je nehybná část elektromotoru, uvnitř které je umístěn rotor. Stator obsahuje vinutí a právě jimi proudí elektřina získaná v důsledku opačného otáčení rotoru a statoru dále obvodem

(Mně samotnému se tato formulace nelíbila: byla příliš nepřesná, spoustu detailů jsem vynechal, pokud by někoho zajímal princip fungování elektromotoru, napište mi do telegramu, později připravím samostatný článek na elektromotory)

V tomto případě jsou rotor a stator součástí alternátoru.

Takto se vítr přeměňuje na elektrickou energii. Samostatně poznamenejme, že z generátoru střídavého proudu kupodivu dostáváme střídavý proud (střídavý a stejnosměrný proud jste měli znát z kurzu fyziky, ale pokud jste na něj kvůli zbytečnosti těchto znalostí zapomněli, samostatný brzy bude napsán článek o konstantním a střídavém proudu, fázi, nule, zemi).

<strong>Standardní komponenty větrné turbíny</strong>

Systém větrného generátoru obsahuje následující součásti:

1. Lopatky přenášející rotaci na alternátor
2. Generátor střídavého proudu (čím silnější vítr, tím více produkuje)
3. Stožár – podpěra, na které jsou připevněny lopatky (jinými slovy, tyč)
4. Ovladač je řídicí jednotka, hlavní funkcí je převádět střídavý proud na stejnosměrný proud, dodávat stejnosměrný proud do baterií, může také vykonávat mnoho funkcí včetně ovládání otáčení lopatek (v závislosti na modelu ovladače: čím sofistikovanější dražší)
5. Baterie – akumulují stejnosměrný proud (k akumulaci elektřiny v bezvětrných dnech atd.)
6. Invertor – převádí stejnosměrný proud z baterií na střídavý přímo pro elektrospotřebiče 220V
7. Snímače směru větru, převodovky, stabilizátory – všelijaké věci pro zvýšení účinnosti (někdy jsou některé vyžadovány, někdy ne).

Pojďme se na to blíže podívat. Lopatky jsou každému jasné: představte si obyčejný ventilátor, který pohybuje vzduchem, jen zde jsou zakřivené tak, že vzduch je poháněn ventilátorem.

Generátor střídavého proudu je zařízení se statorem a rotorem. Přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii v důsledku otáčení rotoru. Větrné turbíny používají třífázové generátory. Zapojení vinutí statoru je typu „hvězda“, odtud vycházejí tři vodiče do regulátoru.
Chápu, že existuje příliš mnoho pojmů, které možná neznáte: typ „hvězda“ je určitý způsob spojování vinutí, přečtěte si více v učebnicích fyziky. V zásadě to nepotřebujete vědět, abyste se seznámili s větrným mlýnem nebo si ho koupili, ale nemohl jsem to nezmínit, protože technici začnou vztekle syčet „jo, ten je hloupý, pořád něco učí“. Ne, ne hloupé, ale pamatujte: článek, stejně jako veškerý obsah na webu, je pro běžné lidi, kteří zde nenajdou nic zajímavého.

Stožár je obyčejná tyč, na kterou připevníme lopatky a generátor. Stožár může být buď pevně pevný, nebo volně stojící. Nejdůležitější je zapamatovat si, že bez povolení úřadů můžete stožár zvednout až na 25 metrů. Výše – je vyžadováno povolení (tato otázka vyžaduje objasnění v konkrétní lokalitě, protože jsem uvedl standardní údaje, někdy je možné více, někdy méně).

Regulátor – řídící jednotka, jak již bylo řečeno – převádí střídavý proud z generátoru na stejnosměrný proud pro baterie. Ve skutečnosti ovladač zcela ovládá váš systém: reguluje nabíjení baterie, rozděluje elektřinu mezi spotřebitele.

Baterie jsou běžné akumulátory. Ukládají vaši rezervu elektřiny.

Invertor – plní stejnou funkci jako v Solární – převádí stejnosměrný proud z baterií na střídavý proud a zvyšuje hodnotu na 220V, abyste mohli napájet osvětlení, TV a tak dále.

Zatím nebudu nic psát o senzorech, převodovkách a tak dále: je jich mnoho, mnoho druhů, jejich vlastní metody aplikace a tak dále. Zde se musíme do tématu ponořit hlouběji: v budoucnu, pokud budu mít volný čas, budu o nich mluvit samostatně.

<strong>Jak vybrat vybavení</strong>

1. Než se rozhodnete pro nákup, musíte pečlivě zvážit následující body:
2. Spočítejte si maximální množství elektřiny, které měsíčně potřebujete.
3. Prohlédněte si meteorologické zprávy o průměrné rychlosti větru ve vaší oblasti (přítomnost silných mrazů je známkou nečinnosti větrné turbíny, protože za chladného počasí je zpravidla bezvětří).
4. Věnujte pozornost hlukovým charakteristikám větrné turbíny (tato věc je zatraceně hlučná, hluk je jedním ze slabých míst a nevýhod větrného generátoru).
5. Porovnejte různá zařízení od různých dodavatelů podle ceny a výkonu.

Poznámka: pokud není u solárních panelů zvláště potřebný specialista, pak v případě větrných generátorů je lepší pozvat odborníka, zejména při výběru zařízení.

<strong>Dva hlavní typy větrných generátorů</strong>

Existují pouze dva hlavní typy větrných generátorů a liší se podle typu konstrukce:

S vertikální osou otáčení

S vodorovnou osou otáčení

Výhody vertikální osy otáčení:

1. Kompaktní design
2. Není ovlivněno prouděním vzduchu
3. Produkujte méně hluku

Nevýhody vertikální osy otáčení:

1. Účinnost je mnohem nižší (asi o 15 %) než u horizontálních větrných turbín
2. Mnohem dražší

Výhody horizontální osy otáčení:

1. Vysoká účinnost (asi 40%)
2. Snadno nastavitelné
3. Výrazně levnější než větrné turbíny se svislou osou otáčení

Nevýhody horizontální osy otáčení:

1. Vysoká hladina hluku a vibrací (konstrukce vytváří hodně hluku a otřesů)
2. Vyžaduje orientaci ve větrných proudech (nejobtížnější úkol)

Jak již vidíte, každý typ má své klady a zápory, takže je třeba vybírat pro konkrétní klimatické podmínky, na základě finančních možností a požadovaného výkonu.

Ceny větrných generátorů včetně, pokud vezmeme výpočet na 7 kilowattů, jsou asi 12 000 $. Proto nejsou příliš časté. Teoreticky si můžete konstrukci sestavit sami, a dokonce i jednoduchý ovladač, ale to vše bude vyžadovat pozoruhodné znalosti.

To je pro dnešek vše, jednoho dne vám řeknu podrobněji o čepelích, jejich typech, principech fungování atd., protože v současné době existuje mnoho odrůd, úprav a návrhů.