Asné větrné turbíny – Energie a průmysl Ruska – č. 21 (353) listopad 2018 – informační portál energetika

Jsme zvyklí na představu, že větrná energie je elektřina vyráběná „větrnými turbínami“ – vysokými stožáry s lopatkami podobnými lopatkám mlýna. Ve skutečnosti však existuje mnoho způsobů, jak větrnou energii vyrábět. Stejně jako větrné energetické konstrukce.

Mají jen jednu společnou věc: pracovní silou je pohyb vzdušných hmot. V tomto článku vám chceme povědět o některých původních jednotkách.

Větrné generátory se stávají stále populárnějšími. Používají se nejen jako doplňkový zdroj elektřiny, ale často i jako hlavní, například při zařizování venkovského domu. Tomu napomáhá snadné použití a poměrně dobrý estetický vzhled větrných turbín. Navíc se jedná o poměrně ekologické konstrukce, které nevyžadují náklady na přírodní zdroje: vítr je zdarma. Průmysl nyní navíc vyrábí regulátory energie, které zajišťují provoz i za slabého větru, shromažďují energii „po částech“, a konstrukce s automaticky se měnícím úhlem náběhu lopatek v závislosti na směru a síle větru.

V současné době existují tři hlavní typy konstrukcí větrných elektráren: vrtulové, u kterých je rotující hřídel umístěna vodorovně vzhledem ke směru větru a má nejvyšší účinnost, bubnové a karuselové, u kterých je hřídel otáčející lopatky umístěna svisle a které se montují na místa, kde směr větru není příliš důležitý (například v horách).

Hlavním problémem je nepravidelný provoz dodavatele energie, tj. samotného větru. Větrné elektrárny jsou na tomto faktoru přímo závislé a provoz jednotek, které tímto způsobem přijímají elektřinu, nemůže být nepřetržitý. Situaci dále zhoršuje skutečnost, že větrná energie může být jak prospěšná, tak škodlivá – zvýšení větrné energie může zařízení vyřadit z provozu.

Výhodami větrných elektráren jsou jednoduchost konstrukce, hospodárnost a obnovitelný charakter zdroje energie. Navíc jsou dostupné (vítr fouká všude) a nezávislé na zdroji energie (například na cenách paliv).

Nevýhody – závislost na větru, hluk a nutnost využití velkých ploch (v případě výstavby velkých elektráren). Navíc počáteční náklady a další využití jsou poměrně drahé (jsou nutná zařízení pro ukládání energie, která mají omezenou životnost).

Stejně jako mezi výrobci je lídrem ve výstavbě větrných elektráren Německo. Evropa zažívá boom ve výstavbě větrných turbín obecně, jejich počet roste ve skandinávských zemích a Řecku.

V Asii pociťuje největší praktický zájem Čína. Stavební program stanoví povinnou instalaci takových zařízení při výstavbě nových budov.

To se týká v první řadě tzv. „tradičních“ větrných turbín. Mezi celou rozmanitostí instalací se však nacházejí i originální, které nezapadají do obvyklých představ o nich.

Větrný generátor na stromě

Například francouzská skupina inženýrů vytvořila umělý strom, který dokáže vyrábět elektřinu pomocí větru. Zařízení produkuje energii i při malém pohybu vzduchu.

Nápad dostal vynálezce Jerome Michaux-Lariviere, když pozoroval šustění listí za bezvětrného počasí. Zařízení využívá malé destičky ve tvaru zkroucených listů, které přeměňují energii větru na elektrickou energii. A to bez ohledu na směr pohybu vzduchu. Další výhodou „stromu“ je jeho zcela tichý provoz.

Inženýři strávili tři roky tvorbou osmimetrového prototypu. Energii vyrábějící „strom“ byl instalován v obci Plumer-Bodou v severozápadní Francii.

Nová instalace s názvem Wind Tree je účinnější než konvenční větrná turbína, protože produkuje energii i při rychlosti větru pouhých 4 m/s.

Michaux-Lariviere doufá, že „strom“ bude sloužit k napájení pouličního osvětlení nebo nabíjecích stanic pro elektromobily. V budoucnu plánuje instalaci vylepšit a propojit ji s energeticky úspornými domy. Ideální „strom“ vyrábějící elektřinu by podle vynálezce měl mít listy vyrobené z přírodních vláken, „kořeny“ ve formě geotermálního generátoru a „kůru“ s fotovoltaickými články.

Biologicky odbouratelné čepele

Achillovou patou rychle rostoucího odvětví větrné energie jsou fyzické součásti větrných turbín, které se vyrábějí z ropných pryskyřic a končí na skládkách.

Čím více větrných turbín je, tím více použitých lopatek se vyhazuje. Aby se tomuto plýtvání skoncovalo, získal výzkumný tým z UMass Lowell grant na řešení tohoto problému vytvořením biologicky odbouratelných lopatek.

Pro návrh nových větrných turbín plánují použít „biopolymery“, jejichž příkladem je rostlinný olej.

Mimo jiné se zvažuje možnost nahrazení ropných pryskyřic udržitelnými. Vědci doufají, že najdou nový materiál, který bude mít stejné vlastnosti jako ten, který se používá v současnosti.

Jednou z výzev je otestovat, zda tyto ekologické čepele odolávají drsným povětrnostním podmínkám a přitom si zachovávají konkurenceschopnou cenu.

Používání biologicky odbouratelných čepelí učiní toto odvětví ještě ekologičtějším díky snížení množství odpadu.

Křídla vážky

Několik francouzských výzkumníků se pokusilo ještě více zefektivnit větrnou turbínu změnou jejích součástí. Hmyz, konkrétně vážky, je inspiroval k vytvoření flexibilních lopatek. Větrné turbíny v současnosti fungují pouze při optimálních rychlostech větru, ale nový biodesign by mohl poskytnout způsob, jak tuto skutečnost obejít.

Výzkumníci postavili prototypy s konvenčními tuhými lopatkami, středně pružnými lopatkami a vysoce pružnými lopatkami turbín. Druhá jmenovaná konstrukce byla příliš pružná, ale středně pružné lopatky překonaly tuhé a produkovaly až o 35 procent více energie. Také nadále fungovaly za podmínek slabého větru a nebyly náchylné k poškození při silném větru.

Vědci nyní musí najít optimální materiál, který nebude příliš pružný, ale ani příliš tuhý.

Větrná energie ve vzduchu

Společnost Airborne Wind Energy (AWE) vysílá do vzduchu létající větrné turbíny – vzducholodě, draky, drony a další letadla vybavená větrnými turbínami nebo pohánějící pozemní generátory prostřednictvím svých „vůdců“.

Létající větrné turbíny nevyžadují základy a značné náklady na dopravu. Zároveň fungují s dobrým „komerčním“ větrem – v nadmořských výškách několika set metrů je vítr stabilnější a silnější. Koeficient využití instalovaného výkonu leteckých větrných elektráren proto dosahuje 70 %.

Například se jedná o skotský projekt větrné energie Kite Power Systems, jehož technologie zajišťuje výrobu energie pomocí „draků“ vznášejících se ve výšce až 450 m.

Systém větrné energie Airborne Wind Energy System využívá k výrobě energie následující schéma. Autonomní letadlo, připevněné k základně, letí ve tvaru osmičky ve výšce 200 až 450 metrů. Během pohybu letadlo táhne za kabel, který napájí generátor. Jakmile je kabel navinutý na nastavenou délku (cca 750 m), letadlo automaticky klesá do nižší výšky. Poté stoupá a proces opakuje. Letadlo vzlétá z plošiny, letí a autonomně přistává pomocí sady senzorů, které poskytují informace pro bezpečné dokončení úkolu.

Větrný generátor uzavřeného typu

Společnost Optflame Solutions, která v rámci programu Skolkovo realizuje projekt na vytvoření nové generace malých a středních větrných turbín uzavřeného typu, vytvořila předvýrobní model větrné turbíny pro přípravu na průmyslovou výrobu.

Tradiční větrné turbíny otevřeného typu představují vysokou úroveň potenciálního nebezpečí, a proto se umisťují převážně v neobytných prostorách v určité vzdálenosti. Větrné turbíny uzavřeného typu, vybavené turbínou podobnou letadlové, lze umístit kamkoli, například na střechy obytných nebo komerčních budov.

Instalovaný výkon vzorku je 1/2 kW. Byl testován v aerodynamickém tunelu i v reálných podmínkách. V budoucnu se plánuje vývoj výkonnějších modelů.

Místo konvenčního dvou- nebo třílopatkového ventilátoru se zde používá axiální turbína leteckého typu. To zvyšuje účinnost a snižuje výrobní náklady, protože samotné lopatky jsou výrazně menší než lopatky ventilátoru. Konstrukce má vnější vodicí lopatku, která dále zvyšuje účinnost a slouží jako ochrana před ptáky, a dále jsou zde vnější a vnitřní kryty, které slouží jako ochrana v případě selhání lopatek.

Výsledkem byl větrný generátor s rekordně nízkými náklady na výrobu kWh, který lze v zásadě umístit v obytné zóně, včetně střech městských domů. Není možné tam instalovat konvenční větrnou turbínu, protože od ní musí být volný prostor do deseti průměrů.

Ve srovnání s konvenčními větrnými turbínami je tato konstrukce bezpečná pro provoz obsluhy a létající zvířata. Pracuje také s nižší hladinou hluku a nepředstavuje významnou hrozbu pro bezpečnost lidí a budov v okolí. V případě poruchy konvenční větrné turbíny masivní lopatky pohybující se vysokou rychlostí obvykle zničí celou konstrukci, pokud je jedna z nich poškozena.

Bezpřevodová větrná turbína

U bezpřevodové konstrukce větrné turbíny je energie generována „špičkami“ lopatek. Mezi vrtulí a generátorem není tradiční hřídel a elektřina je odebírána z okraje vrtule.

Jeho rotor ve tvaru feromagnetického ráfku je upevněn k křídlům větrného kola. Má jednoduchou konstrukci, snadno se vyrábí a instaluje. Umístění permanentních magnetů na koncích oběžného kola ho však výrazně ztěžuje, což snižuje celkovou účinnost jednotky. Jednotka se však snadno ovládá, protože jednoduchá konstrukce nevyžaduje nadměrnou pozornost. Takové větrné generátory mohou pracovat kdekoli za jakýchkoli klimatických podmínek.

„Vodárenská věž“

Nejfantastičtější projekt představili Američané. Z dálky vypadá tento větrný generátor spíše jako vodárenská věž. Jen v blízkém okolí je vidět pomalé otáčení lopatek.

Společnost v Arizoně, v jejímž čele stojí inženýr Mazur, plánuje hromadnou výrobu takové gigantické turbíny. Podle jeho výpočtů by sama o sobě měla dodávat dostatek elektřiny pro metropoli se 750 2007 domácnostmi. V roce XNUMX si inženýr stanovil cíl mnohonásobně zvýšit účinnost větrného generátoru s vertikální osou a ke svému cíli se po celá ta léta blíží.

Vynálezce pracoval ve dvou směrech: za prvé, aby lopatky co nejvíce zachytily proudění vzduchu, a za druhé, aby se tření o podpěru lopatek větrného motoru snížilo na nulu. První úkol měl plnit obrovský vertikální rotor a druhý rotující turbína na magnetickém polštáři.

Druhý úkol je třeba probrat podrobněji. Rotace bez tření je dosažena magnetickou levitací. Celý vertikální rotorový blok se během otáčení zvedá kolem své osy a vůbec se nedotýká spodního nosného ložiska. To je instalováno pouze pro spuštění, pro zrychlení turbíny. Jakmile nabere rychlost, stane se beztížným a oddělí se od ložiska. V důsledku toho se tření sníží na nulu, s výjimkou tření samotné turbíny o vzduch.

Obří turbína je velmi citlivá a reaguje na sebemenší závan větru. Tato schopnost stoupat během rotace díky magnetické levitaci již dlouho zaměstnává vědce a vynalézavé mysli planety. Jedná se o jev, při kterém se jakákoli věc nebo předmět, který má hmotnost, odtrhne od povrchu a vznáší se ve vesmíru bez použití odpudivé síly.

Mazurův projekt ukazuje „plovoucí“ rotor na magnetickém polštáři a místo generátoru je instalován lineární synchronní motor. Větrný generátor na magnetickém polštáři s mnoha lopatkami zachycuje proudění vzduchu co nejvíce. Podle předpokladu bude taková turbína vyrábět elektřinu za pohádkově nízkou cenu.

Toto je samozřejmě jen část projektů neobvyklých pro tradiční pohled. Některé z nich, například související s větrnou energií, jsou již úspěšně využívány. Některé si své místo v historii teprve musí najít. Jedna věc je jasná – větrná energie nekončí u tradičních větrných turbín, stejně jako jakýkoli jiný technologický směr se neustále rozvíjí.