Vēja elektrostacijas: veidi, dizaini, priekšrocības

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Vēja enerģija ir tālu no jauna energoapgādes nozares, tomēr pašreizējos apstākļos kļūst arvien izteiktākas perspektīva virziena iezīmes tālākai attīstībai. Pagaidām ir grūti runāt par universālām koncepcijām vēja ģeneratoru tehniskajai realizācijai, taču progress individuālu inženiertehnisko risinājumu izmantošanā liecina, ka tuvākajā laikā parādīsies vienots strukturālais modelis. Tajā pašā laikā pasaulē tiek izmantotas vairāku veidu vēja turbīnas, no kurām katrai ir savas stiprās puses.

Vēja turbīnu vispārējais darbības princips

Tāpat kā vairums mūsdienu alternatīvo enerģijas avotu, vēja turbīna darbojas, pateicoties spēkam, kas iedarbojas dabiska procesa rezultātā. Mēs runājam par vēja plūsmām, kas rodas nevienmērīgas apkures dēļZemes virsmu pie saules. Gandrīz visas vēja turbīnas darbojas pēc šāda principa: gaisa plūsmas griež riteni uz speciālas vārpstas ar lāpstiņām, tādējādi nododot griezes momentu uz ģeneratoru vai akumulatoru bloku. Stabilitātes un pietiekama gaisa kustības spēka apstākļos vējdzirnavas elektroenerģijas ražošanai spēj nodrošināt 45-50% efektivitāti. Tieši vēja mainīgums un tā stiprums nosaka vēja turbīnu konstrukciju daudzveidību, kas arī tiek aprēķināta, pamatojoties uz konkrētiem lietošanas klimatiskajiem apstākļiem.

Kādas ir vēja turbīnu galvenās priekšrocības?

Novērtēt vēja turbīnu efektivitāti var gan salīdzinājumā ar tradicionālajiem enerģijas avotiem, gan uz ģeneratoru fona, kas darbojas uz atjaunojamiem brīvajiem resursiem. Izteiktākās šādu sistēmu priekšrocības, kas ļauj cerēt uz to veiksmīgu attīstību nākotnē, ir šādi faktori:

• Pati vēja enerģija ir ne tikai atjaunojama, bet arī pieejama uzkrāšanai un apstrādei.
• Ekonomisks ieguvums. Viennozīmīgi vērtējumi par konkrētiem ekonomiskajiem rādītājiem vēl nevar būt saistīti ar sistēmu dažādību, kas darbojas ar atšķirīgu veiktspēju. Bet mēs varam runāt par izciliem rezultātiem, ko demonstrē atsevišķi projekti. Piemēram, cik maksā kilovats elektroenerģijas no lielām jūras vējdzirnavām? Mēs varam runāt par diapazonu no 2-12 rubļiem. par 1 kWh.
• Videi draudzīgs. Vēja turbīnu darbība neparedz kaitīgumugaisu piesārņojošo vielu emisijas.
• Kompakts. Vēja turbīnas uzstādīšanu pat rūpnieciskā formātā nevar salīdzināt ar tradicionālajām spēkstacijām. Tas lielā mērā ir saistīts ar šādu sistēmu autonomiju un neatkarību no papildu sakariem un resursiem.

Horizontālās ass ģeneratori

Šādu vējdzirnavu konstrukcijas shēma paredz elektriskā ģeneratora, ātrumkārbas, lāpstiņu un torņa ar rāmi klātbūtni. Asmeņu konfigurācija ir realizēta tā, lai gaiss ieplūst piltuvē, kas rada vērpes momentu. Svarīgs nosacījums šādu vējdzirnavu darbībai elektroenerģijas ražošanai ir spēja pielāgoties plūsmu kustības īpatnībām (virzienam un stiprumam). Šim nolūkam konstrukcijas ir aprīkotas ar mehānismiem asmeņu pagriešanai un noliekšanai attiecībā pret zemes virsmu. Vismodernākajos modeļos tiek izmantoti arī kontrolieri ar automātisko vadību. Runājot par vēja rata ieviešanu, horizontālās shēmās biežāk tiek izmantota trīs lāpstiņu konfigurācija. Turklāt, lai palielinātu ģeneratoru veiktspēju, inženieri mēdz palielināt funkcionālās uztverošās daļas izmērus, kas, piemēram, izskaidro pašreizējo tendenci pāriet no plastmasas un vieglajiem metāliem uz dārgiem kompozītmateriāliem konstrukciju ražošanā.

Vertikālās ass ģeneratori

Šādiem ģeneratoriem ir ievērojama priekšrocība salīdzinājumā ar horizontālām konstrukcijām,kas ir tas, ka nav nepieciešami papildu līdzekļi iekārtas uzraudzībai un kontrolei. Tas ir, darbības laikā vējdzirnavas ar vertikālu asi nekādā veidā nepielāgojas plūsmu kustībai. Šī mijiedarbības ar gaisa masām iezīme vienlaikus samazina spriegumu vēja ģeneratora lāpstiņās un samazina žiroskopiskās slodzes. Zobu ģenerators, kas veido rūpnīcas dzinēju, var atrasties konstrukcijas torņa pamatnē bez bojājumu vai atteices riska. Bet kāpēc ar aprakstītajām priekšrocībām vertikālās instalācijas neaizvietoja pilnīgi horizontālas vējdzirnavas? Diemžēl šiem modeļiem ir arī būtiski trūkumi. Tā kā vēja ratu nevada vēja plūsmas un tas vienmēr darbojas šaurā enerģijas uztveršanas diapazonā, ģeneratora veiktspēja ir loģiski samazināta. Tāpēc, lai uzturētu pietiekamu vertikālo vējdzirnavu jaudu, ir nepieciešama to masveida izmantošana, aptverot lielas platības, kas ne vienmēr ir iespējams.

Dizains, pamatojoties uz Darrieus rotoru

Vēja turbīnu ģeneratori ar vertikālu lāpstiņriteni ir balstīti uz Savonius vai Darrieus rotoru dizainu. Bet šai grupai ir arī savas variācijas un mūsdienīgas modifikācijas. Visdaudzsološākā pēdējā laika attīstība ir Gorlov spirālveida turbīna, kas radīta 2001. gadā. Tā ir sava veida Darrieus rotora koncepcijas turpinājums, taču optimizētā veidā. Spirālveida vertikālās lāpstiņas ļauj ar minimālu aktivitāti radīt enerģiju no ūdens un gaisa plūsmām. Šodien šie ģeneratoritiek izmantoti gan specializētos vēja parkos, gan kā daļa no hidroelektrostacijām.

Vēja ģeneratori ar plūsmas pastiprinātājiem

Arī savā ziņā klasisko vējdzirnavu dizainu turpinājums, bet pielāgots pašreizējiem augsto tehnoloģiju darbības apstākļiem. Modifikācijas ar plūsmas pastiprinātājiem izceļas ar vienas vai vairāku noteku klātbūtni, kas paredzētas gaisa plūsmu koncentrēšanai. Aerodinamiskie konusa formas elementi to pašu notekcauruļu veidā savāc plūsmas lielā platībā, orientējot tās uz vienu virziena punktu un tādējādi palielinot lāpstiņu sistēmas ātrumu. Grūtības, izmantojot vēja turbīnas ar plūsmas pastiprinātājiem, ir tādas, ka tām ir nepieciešams izmantot papildu elementu grupu. Turklāt būtisku produktivitātes pieaugumu šādās sistēmās iespējams panākt, tikai pieslēdzot palīgenerģijas avotus, kas ne vienmēr ir ekonomiski pamatoti.

Bezzobratu vēja turbīnas

Saskaņā ar strukturālās optimizācijas ideju ir parādījies arī vēja elektrostacijas variants bez ātrumkārbas. Tā vietā tiek izmantots gredzenveida kanāls, kas aprīkots ar iekšējo metāla stieni. Šis gredzens ir uzstādīts ap rotora malu. Šeit atrodas arī magnētu grupa, kas mijiedarbojas ar metāla stieni, tādējādi veicinot strāvas veidošanos. Vēja turbīnu veiktspēja bez pārnesumkārbas ar rotora diametru aptuveni 200 cm var sasniegt 1500 kWhgadā. Šīs konstrukcijas galvenā priekšrocība ir enerģijas zudumu samazināšana, kas dabiski rodas ar pārnesumkārbu aprīkoto ģeneratoru darbībā. Taču par šo priekšrocību ir jāmaksā ar ātruma ierobežojumiem. Lai iekārta ieietu optimālā darbplūsmā, ir nepieciešams plūsmas ātrums vismaz 2 m/s.

Industriālo vēja turbīnu īpašības

Rūpnieciskajām vējdzirnavām ir divas būtiskas atšķirības – lieli izmēri un liela jauda. Šāda veida staciju priekšrocības un trūkumi izriet no šīm funkcijām. Runājot par konstrukciju, pietiek pateikt, ka mūsdienu industriālo vējdzirnavu augstums var sasniegt 150-200 m, bet asmeņu laidums var būt lielāks par 100 m. Liela jauda prasa arī funkcionālās infrastruktūras sarežģītību. Tātad, lai kontrolētu enerģijas pārveidošanas procesu, tiek izmantoti vēja ģeneratora kontrolleri, kas nodrošina, ka tiek ņemta vērā akumulatora pašreizējā uzlāde. Turklāt šādu iekārtu elektriskajā pildījumā ietilpst invertori un īssavienojuma aizsardzības sistēmas.

Mājsaimniecības vēja turbīnu īpašības

Vienkāršākās vējdzirnavas var ne tikai izmantot mājās, bet arī salikt ar rokām. Parasti tās ir maza izmēra iekārtas, kuru augstums nepārsniedz 10 m un kas spēj darboties ar jaudu 0,5–5 kW. Kā pasīvs enerģijas avots sadzīves tehnikaivai atsevišķas elektrisko ierīču grupas, šī iespēja sevi attaisno. Tomēr kompaktās vēja turbīnas mūsdienās lielā skaitā izmanto lieli uzņēmumi, lai darbinātu ražošanas iekārtas. Uz mini vējdzirnavu fermu bāzes veidojas pietiekami produktīvas un uzticamas sistēmas, kas spēj konkurēt ar lieljaudas atsevišķiem ģeneratoriem.

Jūras vēja turbīnu īpašības

Šā tipa vējdzirnavu popularitāte ir saistīta ar vairākām priekšrocībām salīdzinājumā ar stacijām, kas atrodas uz sauszemes. Tas galvenokārt attiecas uz stabilākiem darba apstākļiem, jo vēja plūsmas netiek traucētas prom no krasta līnijas. Tajā pašā laikā jūras vēja turbīnu konstrukcijas tiek iedalītas divās grupās - nesošās un peldošās. Pirmie ir uzstādīti seklā ūdenī ar klasisku atbalstu zemē zem ūdens. Peldošajām stacijām attiecīgi ir sava peldošā platforma ar fiksāciju ar enkuriem un citām jūras ierīcēm.

Vēja turbīnu konstrukciju kombinācija ar ēku karkasiem

Ir arī ļoti perspektīva vējdzirnavu grupa, kas burtiski integrētas daudzstāvu ēku korpusos. Šim risinājumam ir divas priekšrocības - labvēlīgi apstākļi plūsmu "uzņemšanai" un elektroenerģijas piegādes ceļa samazināšanās, jo gala piegādes avots parasti ir patērētāji ēkas iekšienē. Šobrīd šāda veida vēja turbīnu integrācija biežāk tiek veikta, izmantojotīpaši aerodinamiskie cilindri, kas tiek montēti uz debesskrāpju jumtiem. Tiek izstrādāta arī mini propelleru koncepcija, ko var novietot jebkurā augsta būvlaukuma daļā. Ierīces ir burtiski integrētas sienās, pēc tam tās tiek pievienotas vispārējai elektroapgādes sistēmai, izdalot nelielu, bet stabilu enerģijas daudzumu.

Secinājums

Pēdējos gados Krievijā ir ievērojami pieaugusi interese par vēja turbīnām. Periodiski dažādos reģionos tiek nodotas ekspluatācijā lielas stacijas ar jaudu līdz 30-50 MW. Mūsu valstij vējdzirnavas ir īpaši noderīgas, jo ļauj nodrošināt ar enerģiju attālos reģionus, kur šobrīd nav iespējams organizēt citus energoapgādes veidus. Aktīvi attīstās arī mazo vēja elektrostaciju segments. Krievijā ļoti populāras ir kļuvušas individuālas energosistēmas ar jaudu 1-5 kW. Tajā pašā laikā izstrādātāji neatsakās apvienot vējdzirnavu darbības principus ar iekšdedzes dzinējiem. Panākumus šajā virzienā īpaši demonstrē vēja dīzeļdegvielas konstrukcijas. Joprojām ir grūti pateikt, cik liels vēja enerģijas pieprasījums būs Krievijā tuvākajās desmitgadēs, jo tradicionālo enerģijas avotu pozīcijas joprojām ir spēcīgas. Taču tendences pārejā uz alternatīvo enerģiju visā pasaulē, visticamāk, mudinās Krievijas rūpniecību aktīvi izpētīt šādas jomas.