Jak funguje větrný generátor jednoduchými slovy?
Elektrický generátor byl vynalezen před více než stoletím a půl. Větrná kola poháněla mlýnské kameny od nepaměti. Proč tedy moderní větrné turbíny – ta mávající obří křídla zelené energie – vyžadují k výrobě špičkovou technologii? A budeme moci začít vyrábět takové stroje tady v Rusku, nebo budeme muset zase utrácet petrodolary a kupovat, kupovat, kupovat.
Oleg Makarov
Diskutujte o tématu
Jednoduchost základního principu neznamená vždy technologickou jednoduchost, zejména pokud je třeba z návrhu vymáčknout maximální efektivitu. Teoreticky je letoun velmi jednoduchý a bratři Wrightové si při tvorbě svého Flyer 1 vystačili s odpadními materiály a průmyslovými technologiemi garážové třídy. Jak však víte, prvorozenec světového letectví nedoletěl dál než na rozpětí křídel Boeingu 747 a sotva zvedl Orville Wrighta do vzduchu jako náklad. Moderní parníky křižují oceány a kontinenty a vynášejí k nebi desítky a dokonce stovky tun nákladu. Přitom jsou doslova napěchované high-tech technologií, která zajišťuje nejvyšší funkčnost, ekonomickou efektivitu a bezpečnost provozu. Zavedením primitivního schématu „větrné kolo plus elektrický generátor“ jsou konstruktéři současných větrných elektráren s kapacitou několika megawattů nuceni spoléhat se na nejnovější výdobytky vědy a high-tech průmyslu.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Ve skutečnosti mají letectví a větrná energie mnoho společného. V obou případech je využita vztlaková síla generovaná interakcí křídla s příchozím proudem vzduchu. Pokud je však pro vytvoření vztlaku pod křídlem letadla nutné vynaložit energii na vytvoření tahu, pak větrný mlýn využívá přirozeného pohybu proudů vzduchu, aby z nich odebral energii a přeměnil ji na elektřinu. Dalším zásadním rozdílem mezi větrnými turbínami a konstrukcemi letadel je, že jejich životnost v nepřetržitém provozu je let.
Potřeba zhubnout
Zatímco rozpětí větrného kola je malé a výkon generátoru se měří v desítkách či stovkách kW, nejsou potřeba žádné speciální technologie, ale moderní větrná energie se zaměřuje na skutečně gigantické stavby: na 100-120metrové věže, jsou instalovány gondoly vážící desítky tun a rozpětí lopatek větrných turbín dosahuje 130 m Čím vyšší je věž a čím větší je průměr rotoru, tím významnější je použití větrný potenciál. S rostoucí lineární velikostí větrné elektrárny (WPP) se však její výkon zvyšuje ve čtvercovém poměru a její hmotnost roste v krychlovém poměru. Proto je stejně jako v letectví jednou z nejdůležitějších priorit boj s nadváhou celé konstrukce. Další velkou výzvou je zajištění stability celé konstrukce. Větrná turbína je silná „hlava“ na tenké noze a je vystavena silnému tlaku větru, houpe se, vibruje, a aby se větrný mlýn nezřítil nebo nepřevrátil, jsou nutné složité výpočty a nestandardní technická řešení.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
High-tech větrná energie začíná přímo od rotorů – do největšího z nich se do kruhu snadno vejde fotbalové hřiště.
Čím dokonalejší je aerodynamický profil lopatek větrného kola, tím vyšší je jeho účinnost. Lopatky přitom musí být pevné a elastické, jinak je vysokohorský vítr láme jako sirky. Lopatky musí mít také minimální hmotnost, protože nárůst hmotnosti zvyšuje zatížení konstrukce jako celku, a tedy i její cenu. Při výrobě rotorových listů je stejně jako v leteckém průmyslu kladen důraz na nekovové kompozitní materiály, přičemž klíčovou roli hraje sklolaminát, který spojuje všechny požadované vlastnosti. Uvnitř listu je umístěn pevnější rám s obdélníkovým průřezem a vnější plášť zajišťuje potřebný profil křídla, navržený speciálně pro provoz v proudech vzduchu při nízkých rychlostech. Optimální hmotnost spojená s aerodynamickými vlastnostmi ale není všechno. Větrné kolo musí mít dlouhou životnost. Větrná turbína bude sloužit dvě desetiletí a čím méně rutinních a opravárenských prací bude během této doby potřeba, tím levnější bude provoz.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Křídlo ve větru
Ne nadarmo se při bouři sklopí plachty lodi – využití větrné energie k dobru je možné jen do určité míry. Když fouká příliš silně, musíte se bránit – zatížení na lopatky, na věž, na tělo gondoly se začíná zvyšovat. Před érou megawattových větrných turbín řešily problém ochrany větrné turbíny před silnými poryvy větru masivnější věže a silnější lopatky. Profil křídla byl navržen tak, aby při dosažení určité rychlosti proudění vzduchu od konce lopatky směrem dolů došlo ke zvýšení stagnace proudění a ke ztrátě vztlaku. Tímto způsobem bylo možné ochránit generátor před otáčením neobvyklými rychlostmi, které by vedlo k jeho poruše. Skutečně revolučním řešením, které umožnilo moderním větrným turbínám dosahovat megawattového výkonu, však bylo zavedení systému řízení sklonu do konstrukce větrných turbín. Tento inteligentní systém sleduje množství energie dodávané do větrného kola a udržuje optimální rychlost otáčením lopatek kolem podélné osy a změnou zdvihové síly. Změna úhlu náběhu se provádí pomocí speciálních pohonů v náboji, které otáčejí lopatky.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Systém řízení sklonu umožňuje nejen udržovat rotaci rotoru v daném rozsahu otáček, ale také pomáhá řešit bezpečnostní problém celé větrné turbíny – zastavení větrného kola při bouřkovém větru a zamezení rezonančního kývání věže. Faktem je, že větrný generátor se může dostat do rezonance z určitých zatížení – jak z pulsace samotného vzduchu, tak z rázů, ke kterým dochází, když lopatka prochází kolem věže. Při pohledu z dálky je tento efekt téměř neviditelný, ale pokud stojíte blízko věže, je docela patrný. Nyní si představme, že frekvence těchto rázů je v rezonanci s vlastní rezonanční frekvencí vibrací věže. Výsledek není těžké předvídat – větrná turbína se zhroutí. S tímto efektem můžete samozřejmě bojovat zvýšením frekvence vibrací věže, tedy zhuštěním a ztížením. To ovlivní náklady na instalaci a materiál. Nebo to můžete nechat elegantní, ale pomocí systému řízení úhlu náběhu donutit větrné kolo rychle projít nebezpečným režimem.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
15 tun jako hodinky
Obsah gondoly větrného generátoru není o nic méně high-tech. Většina dnes provozovaných větrných turbín třídy megawatt používá multiplikátor – 3-4 rychlostní převodový systém, který umožňuje zvýšit otáčky z 15 ot./min na hřídeli větrného kola na 1500 ot./min na hřídeli elektrického generátoru. A přestože svět už dávno nepřekvapuje ozubená kola, multiplikátor větrné turbíny je speciální případ. Moderní multiplikátor je kolos o hmotnosti 12-15 tun, který má účinnost minimálně 97 %. To je na jednu stranu velmi rozměrná a na druhou stranu vysoce přesná mechanika. Výroba multiplikátoru vyžaduje vysoce kvalitní slitiny a ultra přesnou povrchovou úpravu. To platí zejména pro vysokorychlostní stupeň – ten, který je blíže generátoru. Jsou vyžadovány speciální oleje, které usnadňují pohyb mechanismu a odvádějí stejná 3 % ztrát, které se přeměňují na teplo do vzduchového chladicího systému. Jen tak lze zajistit nízkou hmotnost násobiče, vysokou účinnost a vysokou odolnost konstrukce proti opotřebení pro dlouhou životnost mechanismu.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
A váš mozek se bude hodit
Tvůrci větrných turbín neustále usilují o zvyšování energetické a ekonomické účinnosti instalací, zvyšování účinnosti komponentů (větrné kolo, multiplikátor, generátor a měnič), zlepšování spolehlivosti konstrukcí a snižování jejich hmotnosti a ceny. Bojuje se o pár procent (1–3) a dokonce o jejich akcie. Nejsilnějším faktorem v boji o energetickou účinnost větrných turbín je řídicí systém (CS) a software (SW). Moderní řídicí systém vybavený softwarem, který maximálně zohledňuje charakteristiky větru a charakteristiky spotřebitelů energie, může zvýšit energetickou účinnost o 10 procent i více.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Generátor, elektrický brzdový systém a design kapotáže gondoly mají samozřejmě své vlastní high-tech prvky. Mohou se tedy takové high-tech produkty vyrábět v Rusku?
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Jak koupit řezání lopatou
V článku „Hoďme naše naděje větru“ náš partner vyjádřil velmi kategorický názor – v Rusku nevědí, jak vyrobit větrné generátory třídy megawatt, a pokud se zde rozhodne o vytvoření výkonných větrných elektráren , zařízení bude muset být zakoupeno od průmyslových gigantů z Německa, Dánska a USA. K poslechu alternativního pohledu jsme do redakce pozvali Veniamina Nyrkovského a Andrey Kulakova, vedoucí projektu New Wind. Hlavním cílem tohoto projektu je integrace domácích vědeckých a průmyslových kapacit pro výrobu ruských modelů větrných turbín.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
„Cílem našeho projektu je rozvoj ruské větrné energie jako samostatného odvětví strojírenství,“ říká Andrej Kulakov, „k tomuto závěru jsme však nedošli okamžitě. Předběžné výpočty ukazují, že aby mělo Rusko v roce 2025 4,5 % „zelené elektřiny“, bude nutné postavit větrné elektrárny o celkové kapacitě 8-10 GW. Kde můžeme získat těchto 5000 XNUMX větrných turbín, když jsou kapacity na výrobu strojů v Evropě, Indii a Číně přetíženy „domácími“ zakázkami? Odpověď je zřejmá. Musíme se naučit vyrábět tady v Rusku.
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Na to je síla. Ano, a kompetencí je dostatek. Naši řemeslníci pracují s kovem a větrné turbíny jsou stále kovovou konstrukcí, již dlouhou dobu a kvalita není horší než u cizinců.
Licence? Procestovali jsme téměř celou Evropu – od jižního Rakouska po Holandsko – a uvědomili jsme si, že koupit licenci za výhodných podmínek pro nás prostě není možné. Za prvé, nabízejí zastaralé návrhy staré nejméně deset let a pokrok v tomto odvětví je tak rychlý, že deset let je celá éra. Za druhé, za podmínek licence dostaneme, obrazně řečeno, ne lopatu, ale násadu od lopaty. Náš prodejní trh bude omezený a naše produkty nebudeme moci prodávat nikde jinde než v Rusku. Uvalí na nás výrobce generátorů, multiplikátorů, lopatek, řídicích systémů a ložisek. Právě v těchto produktech je hlavní high-tech „napevno zapojeno“, ale není zahrnuto v licenci, přičemž tvoří více než 50 % ceny celé větrné turbíny. Zbyla nám věž, tělo gondoly a náboj. Budou nás o to žádat o nic méně? 10 milionů má to smysl?
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE
Střed je zlatý a cenově dostupný
„Navzdory skeptickému názoru na schopnosti naší vědy a průmyslu jsme dospěli k závěru, že v Rusku je možné vyrábět moderní výkonné větrné turbíny,“ pokračuje Veniamin Nyrkovskij v tématu „Jediné, co evidentně nezvládáme vícestupňový multiplikátor s jeho přesnou mechanikou. Taková výrobní zařízení u nás nejsou a jejich vytvoření si vyžádá miliardy dolarů. Situace ale není beznadějná.
Vítr je proměnná veličina. Přeměna přerušované větrné energie na podmíněně konstantní elektrickou energii a její dodávání do sítě je jedním z nejdůležitějších problémů větrné energie. Větrné turbíny používané před rokem 2000 využívaly především asynchronní generátory (v nich není stejná rychlost otáčení hřídele a rychlost otáčení magnetického pole vytvářeného proudem ve vinutí rotoru). Asynchronní generátor je automaticky synchronizován tokem energie přicházející ze sítě a je přímo připojen k síti svými vinutími. Zároveň jsme se snažili udržet konstantní rychlost větrného kola. Nevýhody takového systému spočívají v tom, že za prvé, pokud jsou ve výrobním systému asynchronní generátory a jejich počet se blíží 25 %, síť se začíná chovat nestabilně – s tímto problémem se poprvé setkalo Německo s vysokým podílem výroby větru v energetickém sektoru . Za druhé, udržování konstantní rychlosti větrného kola snižuje jeho účinnost. U moderních větrných turbín se rychlost během provozu může změnit 2–3krát. Musel jsem přejít na synchronní generátory, ale problém je v tom, že nejsou nijak synchronizované se sítí a dodávají „plovoucí“ frekvenci a napětí, čímž odrážejí kolísání otáček hřídele rotoru. Problém byl vyřešen s rozvojem výkonové elektroniky – objevily se výkonné tranzistory a tyristory, které samy dokázaly pumpovat megawatty energie. Nyní proud z vinutí generátoru vstupuje do měniče sestaveného na základě podobných elektronických součástek a odtud jde do sítě s konstantní frekvencí a napětím.
Nyní asi 17 % větrných turbín na trhu pracuje s přímým pohonem, to znamená, že se vůbec obejdou bez multiplikátoru. Toto schéma má jednu velkou výhodu – přítomnost minima pohyblivých částí, což dodává konstrukci spolehlivost a snižuje energetické ztráty. Ale je tu také velká nevýhoda: generátor, jehož hřídel se otáčí rychlostí větrného kola, musí být velmi velký. U dvoumegawattové větrné turbíny pracující s vícestupňovou převodovkou (násobičem) bude mít generátor průměr cca 1,5 m a hmotnost cca 10 tun V instalaci systému přímého pohonu o stejném výkonu bude mít jeho průměr být více než 7 m a jeho hmotnost bude asi 60 tun Mimochodem, Rusko je jednou z mála zemí, kde dokážou takové obří generátory vyrobit. Pravda, jsou určeny pro vodní elektrárny a jejich provozní podmínky jsou velmi odlišné díky rozdílu v dynamice kolísání energie. Šedesátitunový generátor je navíc velmi náročný na přepravu, zejména do těžko přístupných míst, a velmi obtížně se montuje na věž – potřebujete speciální jeřábové vybavení, které je navíc velmi náročné na přepravu.