JAK FUNGUJE VĚTRNÝ GENERÁTOR A PROČ JE STÁLE NEJSOU PO CELÉ ZEMI | Pikabu

Potřeba šetřit přírodní zdroje nutí většinu zemí hledat alternativní zdroje elektřiny. Jedním z těchto zdrojů je větrná energie, pomocí které lze vyrábět elektrickou energii v objemech dostatečných pro uspokojení potřeb domácích spotřebitelů i průmyslových podniků. Základem konstrukce pro výrobu elektřiny z větru je generátor namontovaný na stožáru.

Zařízení větrného generátoru

Návrh větrné elektrárny zahrnuje následující prvky:

• Generátor;
• Stožár;
• Čepele;
• Anemometr;
• Nabíjecí baterie;
• zařízení ATS (automatický přepínač přenosu);
• Transformátor.

Jak funguje větrná elektrárna?

Princip fungování větrné elektrárny je založen na přeměně energie větru na rotační pohyb turbíny. To se děje pomocí lopatek (rotoru). Vítr sleduje obrys lopatek a způsobuje jejich rotaci.

Moderní větrné elektrárny mají tři lopatky. Jejich délka může dosáhnout 56 metrů. Rychlost otáčení se pohybuje od 12-24 ot./min. Pro zvýšení rychlosti otáčení se používají převodovky. Výkon moderních větrných generátorů může dosáhnout 750 kW.

Anemometr je určen k měření rychlosti větru. Je namontován na zadní straně skříně turbíny. Informace o rychlosti větru analyzuje vestavěný počítač, aby se vyrobilo co největší množství elektřiny.

Konstrukce větrné farmy může fungovat při rychlosti větru 4 metry za sekundu. Když rychlost větru dosáhne 25 metrů za sekundu, větrné elektrárny, které jsou založeny na využívání větrné energie, se automaticky vypnou. Nekontrolované otáčení lopatek při silném větru je jednou z příčin nehod a zničení větrné turbíny.

Transformátor převádí napětí na hodnoty potřebné k přepravě elektřiny ke spotřebiteli po drátech elektrického vedení. Transformátory jsou obvykle instalovány na základně stožáru

Stožár je důležitým konstrukčním prvkem větrné farmy. Výkon generátoru závisí na jeho výšce. Výška stožáru moderních větrných turbín se pohybuje od 70-120 metrů. Některé návrhy zahrnují přistávací plochy pro vrtulníky.

Instalace větrných generátorů

Jednou z nezbytných podmínek pro plnohodnotný provoz zařízení je výběr vhodného místa pro jeho umístění. V ideálním případě by to mělo být vyvýšené místo s vysokou rychlostí větru a nízkou turbulencí.

Pokud je poblíž les, sníží se tím účinnost větrného generátoru. Absence blízkého nadzemního elektrického vedení neumožní přesměrovat vyrobenou elektřinu ke spotřebitelům.

Problémy způsobené provozem větrných elektráren

Navzdory skutečnosti, že větrné turbíny jsou slibným způsobem výroby elektřiny, existuje mnoho problémů spojených s jejich provozem. Zejména v evropských zemích, kde se větrná energie aktivně zavádí, si mnoho lidí stěžuje na nepohodlí způsobené blízkostí větrných turbín.

Ve většině zemí neexistují zákony, které by jasně definovaly, v jaké vzdálenosti od obytných budov mohou být umístěny. Někdy je větrný generátor vidět již ve vzdálenosti 200-250 metrů od domu. Lidé si stěžují na velký hluk, který je slyšet stovky metrů kolem. Stín rotujících lopatek větrné turbíny může být vržen na několik kilometrů. To způsobuje vážné psychické nepohodlí.

Problémy jsou způsobeny tím, že plnohodnotné využívání větrné energie začalo relativně nedávno. Výkonné větrné generátory se dříve nepoužívaly. Jejich plný dopad na člověka proto nebyl studován. V současné době se připravují zákony, které mají minimalizovat nepohodlí z provozu těchto mechanismů.

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.

Lopatky větrných generátorů dosahují impozantních rozměrů a mohou být umístěny ve výšce více než 100 metrů nad zemí – výše než katedrála svatého Izáka

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 SE DĚJE VĚTRNÁ ENERGIE K 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.

Kvůli nestabilnímu počasí budou větrné elektrárny vždy zálohovány plynem nebo uhlím. Na fotografii – elektrárna s plynovou turbínou pole East Messoyakhskoye společnosti Gazprom Neft

Energie, kterou může vítr vyrobit, je úměrná třetí mocnině jeho rychlosti: E ~ v3. 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 80 %.

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.

Větrné elektrárny jsou stále vyšší a stoupají do hor

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.

Souhlasíte s tím, co bylo napsáno? Nebo se váš názor liší od názoru redakce? Zanechte své komentáře – je pro nás důležité vědět, co si myslíte.