Vindkraftverk: typer, design, fördelar

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

Vindenergi är långt ifrån en ny gren av energiförsörjningen, men under rådande förhållanden blir den mer och mer uttalade drag av en lovande riktning för vidare utveckling. Det är fortfarande svårt att prata om universella koncept för den tekniska implementeringen av vindgeneratorer, men framsteg i användningen av individuella tekniska lösningar tyder på att en enda enhetlig strukturell modell kommer att dyka upp inom en snar framtid. Samtidigt används flera typer av vindkraftverk i världen, som var och en har sina egna styrkor.

Allmän princip för drift av vindkraftverk

Som de flesta moderna alternativa energikällor fungerar vindkraftverket på grund av kraften som verkar som ett resultat av en naturlig process. Vi pratar om vindflöden till följd av ojämn uppvärmningjordens yta av solen. Nästan alla vindturbiner fungerar enligt följande princip: luftflöden roterar hjulet på en speciell axel med blad och överför på så sätt vridmoment till generatorn eller batteripaketet. Under förhållanden med stabilitet och tillräcklig kraft för luftrörelser kan väderkvarnar för att generera elektricitet ge en verkningsgrad på 45-50%. Det är just vindens variabilitet och dess styrka som avgör det stora utbudet av konstruktioner av vindturbiner, som också beräknas utifrån specifika klimatförhållanden för användning.

Vilka är de främsta fördelarna med vindkraftverk?

Utvärdera effektiviteten hos vindkraftverk kan vara både i jämförelse med traditionella energikällor, och mot bakgrund av generatorer som körs på förnybara gratis resurser. De mest uttalade fördelarna med sådana system, som ger hopp om deras framgångsrika utveckling i framtiden, är följande faktorer:

• Vindenergi i sig är inte bara förnybar, utan också tillgänglig för ackumulering och bearbetning.
• Ekonomisk nytta. Entydiga bedömningar av specifika ekonomiska indikatorer kan ännu inte bero på mångfalden av system som fungerar med olika prestanda. Men vi kan prata om de enastående resultat som individuella projekt visar. Hur mycket kostar till exempel en kilowatt elektricitet från en stor havsbaserad väderkvarn? Vi kan prata om intervallet 2-12 rubel. för 1 kWh.
• Miljövänlig. Driften av vindkraftverk ger inte för skadligautsläpp av luftföroreningar.
• Kompakt. Att installera ett vindkraftverk, även i industriellt format, kan inte jämföras med traditionella kraftverk. Detta beror till stor del på sådana systems autonomi och oberoende från extra kommunikation och resurser.

Horizontal Axis Generators

Utformningsschemat för sådana väderkvarnar ger förekomsten av en elektrisk generator, växellåda, blad och ett torn med en ram. Konfigurationen av bladen är implementerad på ett sådant sätt att luften strömmar in i tratten, vilket skapar ett vridmoment. En viktig förutsättning för driften av sådana väderkvarnar för att generera elektricitet är förmågan att anpassa sig till egenskaperna hos flödesrörelsen (riktning och styrka). För detta är strukturerna försedda med mekanismer för att vrida och luta bladen i förhållande till jordytan. I de mest avancerade modellerna används även styrenheter med automatisk styrning. När det gäller implementeringen av vindhjulet används trebladskonfigurationen oftare i horisontella scheman. Dessutom, för att öka prestanda hos generatorer, tenderar ingenjörer att öka storleken på den funktionella mottagande delen, vilket till exempel förklarar den nuvarande trenden med övergång från plast och lättmetaller till dyra kompositelement vid tillverkning av strukturer.

Vertikala axelgeneratorer

Sådana generatorer har en betydande fördel jämfört med horisontella strukturer,som består i avsaknad av behov av ytterligare medel för övervakning och kontroll av installationen. Det vill säga, under driften anpassar sig en väderkvarn med en vertikal axel inte på något sätt till flödenas rörelse. Denna funktion av interaktion med luftmassor minskar samtidigt spänningen i vindgeneratorbladen och minskar gyroskopiska belastningar. Den växlade generatorn, som utgör anläggningens motor, kan placeras vid basen av strukturtornet utan risk för skada eller haveri. Men varför, med de beskrivna fördelarna, ersatte vertikala installationer inte helt horisontella väderkvarnar? Tyvärr har dessa modeller också betydande nackdelar. Eftersom vindhjulet inte styrs av vindströmmar och alltid arbetar inom ett sm alt område av energifångstområden, reduceras generatorns prestanda logiskt. För att upprätthålla tillräcklig effekt hos vertikala väderkvarnar krävs därför massanvändning som täcker stora områden, vilket inte alltid är möjligt.

Designer baserade på Darrieus-rotorn

Vindturbingeneratorer med vertik alt pumphjul är baserade på Savonius eller Darrieus rotordesign. Men denna grupp har också sina egna varianter och moderna modifikationer. Den mest lovande senaste utvecklingen är Gorlov helicoidturbin, skapad 2001. Det är en slags fortsättning på Darrieus rotorkoncept, men i en mer optimerad form. Spiral vertikala blad tillåter energi att genereras från vatten och luftflöden med minimal aktivitet. Idag dessa generatoreranvänds både i specialiserade vindkraftsparker och som en del av vattenkraftverk.

Vindgeneratorer med flödesförstärkare

Också, på något sätt, en fortsättning på den klassiska designen av väderkvarnar, men justerad för de nuvarande högteknologiska driftsförhållandena. Modifieringar med flödesförstärkare kännetecknas av närvaron av en eller flera rännor, som är utformade för att koncentrera luftflöden. Aerodynamiska konformade element i form av samma rännor samlar upp flöden över ett stort område, orienterar dem i en riktningspunkt och ökar därmed hastigheten på bladsystemet. Svårigheten med att använda vindturbiner med flödesförstärkare är att de kräver användning av en extra elementargrupp. Dessutom är det möjligt att uppnå en betydande ökning av produktiviteten i sådana system endast genom att ansluta extra energikällor, vilket inte alltid är ekonomiskt motiverat.

Gearless vindturbiner

I linje med idén om strukturell optimering har det också dykt upp en variant av ett vindkraftverk utan växellåda. Istället används en ringformad kanal, försedd med en invändig metallstång. Denna ring är installerad runt rotorkransen. Här finns också en grupp magneter som samverkar med en metallstav och därigenom bidrar till att generera ström. Prestanda för vindturbiner utan växellåda med en rotordiameter på cirka 200 cm kan nå 1500 kWhi år. Den huvudsakliga fördelen med denna konstruktion är minskningen av energiförluster som uppstår naturligt vid driften av generatorer försedda med växellådor. Men du måste betala för denna fördel med hastighetsbegränsningar. För att enheten ska komma in i ett optim alt arbetsflöde krävs en flödeshastighet på minst 2 m/s.

Funktioner hos industriella vindkraftverk

Industriella väderkvarnar har två grundläggande skillnader - stor storlek och hög effekt. Både fördelar och nackdelar med stationer av denna typ kommer från dessa funktioner. När det gäller strukturen är det tillräckligt att säga att höjden på moderna industriella väderkvarnar kan nå 150-200 m, och bladspännet kan vara mer än 100 m. Hög effekt kräver också komplexiteten hos den funktionella infrastrukturen. Så för att styra processen för energiomvandling används vindgeneratorkontroller, som säkerställer att batteripaketets nuvarande laddning beaktas. Dessutom inkluderar den elektriska fyllningen av sådana installationer växelriktare och kortslutningsskyddssystem.

Funktioner hos hushållsvindkraftverk

De enklaste väderkvarnarna kan inte bara användas hemma, utan också monteras för hand. Som regel är dessa små installationer med en höjd på högst 10 m, som kan arbeta med en effekt på 0,5-5 kW. Som en passiv energikälla för hushållsapparatereller enskilda grupper av elektriska enheter, detta alternativ motiverar sig själv. Men kompakta vindkraftverk används idag i stort antal av stora företag för att driva produktionsanläggningar. På basis av minivindkraftverk bildas tillräckligt produktiva och pålitliga system som kan konkurrera med enkla generatorer med hög effekt.

Funktioner hos vindkraftverk till havs

Populariteten för den här typen av väderkvarnar beror på flera fördelar jämfört med stationer som ligger på land. Det handlar främst om stabilare arbetsförhållanden, eftersom vindströmmarna inte hindras bort från kustlinjen. Samtidigt är strukturerna för havsbaserade vindkraftverk uppdelade i två grupper - stödjande och flytande. De första är installerade i grunt vatten med ett klassiskt stöd i marken under vatten. Flytstationer har respektive flytande plattform med fixering med hjälp av ankare och andra marina anordningar.

Kombination av vindkraftverk med byggnadsramar

Det finns också en mycket lovande grupp väderkvarnar som bokstavligen är integrerade i höghusens skrov. Denna lösning har två fördelar - gynnsamma förhållanden för "mottagning" av flöden och en minskning av vägen för leverans av el, eftersom den slutliga försörjningskällan vanligtvis är konsumenterna inuti byggnaden. För närvarande görs integreringen av vindkraftverk av denna typ oftare med hjälp avspeciella aerodynamiska cylindrar som är monterade på tak av skyskrapor. Konceptet med minipropellrar utvecklas också, som kan placeras i valfri del av en hög byggarbetsplats. Enheterna är bokstavligen integrerade i väggarna, varefter de ansluts till det allmänna strömförsörjningssystemet, vilket ger ut en liten men stabil mängd energi.

Slutsats

Under de senaste åren har intresset för vindkraftverk ökat markant i Ryssland. Stora stationer med en kapacitet på upp till 30-50 MW tas i drift periodvis i olika regioner. För vårt land är väderkvarnar särskilt användbara eftersom de tillåter oss att tillhandahålla energi till avlägsna regioner där det för närvarande inte finns någon möjlighet att organisera andra energiförsörjningssätt. Segmentet små vindkraftverk utvecklas också aktivt. I Ryssland har individuella kraftsystem med en kapacitet på 1-5 kW blivit mycket populära. Samtidigt vägrar utvecklarna inte att kombinera principerna för drift av väderkvarnar med förbränningsmotorer. Framgångar i denna riktning demonstreras i synnerhet av vinddieselkonstruktioner. Det är fortfarande svårt att säga hur mycket vindenergi som kommer att efterfrågas i Ryssland under de kommande decennierna, eftersom positionerna för traditionella energikällor fortfarande är starka. Men trenderna i övergången till alternativ energi runt om i världen kommer sannolikt att sporra den ryska industrin att aktivt utforska sådana områden.