Как работи вятърна турбина

В зависимост от наличните ветрови ресурси, турбината може да намали сметките за електроенергия с 50–90%, да помогне за избягване на високите разходи за прокарване на електропроводи до отдалечени места, да предотврати прекъсвания на електрозахранването и най-важното – да бъде екологична.

В тази статия ще се запознаем с основите на вятърните турбини – техните типове, размери, ефективност, предимства и недостатъци, начин на работа, инсталация, поддръжка, както и плъзгащите контактни пръстени. Всяка глава включва описание на изследванията и цялостен анализ на обсъжданите въпроси.

Вятърните турбини изискват стабилно предаване на енергия и данни от гондолата до секцията за управление на роторните лопатки. Плъзгащите контактни пръстени осигуряват ефективност и надеждност, изисквани в тежките условия на околната среда.

Скъпоструващите престои на вятърните турбини могат да бъдат намалени чрез използването на фибърни четки и трайни материали в конструкцията на плъзгащите контактни пръстени.

Предимства на плъзгащите контактни пръстени:

• Могат да работят при различни температури
• Характеризират се с висока надеждност
• Не изискват редовни прегледи
• Не изискват смазване
• Произвеждат минимално замърсяване от износване

Какво представлява вятърната турбина?

Вятърните турбини са модерна модификация на традиционните вятърни мелници, популярни през XIX век. Тяхната цел е да ограничат зависимостта от изкопаеми горива и да генерират енергия по възобновяем и екологичен начин.

Факти за вятърните турбини

Вятърните турбини използват кинетичната енергия на вятъра, която задвижва лопатките, завъртайки двигател, преобразуващ кинетичната енергия в механична, а след това в електрическа.

Казано по-просто – турбината работи обратно на вентилатора: вместо да използва електричество за движение на въздуха, тя използва вятъра за генериране на електричество.

Приложения на вятърните турбини

От векове хората използват силата на вятъра – от вятърни мелници в Холандия до ранчове в САЩ, където са служили за изпомпване на вода и мелене на зърно. Днес тяхната съвременна форма – вятърната турбина – произвежда електрическа енергия.

Турбините се изграждат върху кули, за да уловят повече кинетична енергия. На височина 30 метра вятърът е по-силен и по-стабилен. Обикновено турбината има 2–3 лопатки, образуващи ротор.

Лопатките действат като крила на самолет – разликата в налягането над и под тях предизвиква въртеливо движение, което задвижва генератора.

Турбините могат да работят самостоятелно (off-grid) или да бъдат свързани към електрическата мрежа. В промишлени приложения се изграждат цели вятърни паркове, които доставят енергия към мрежата.

Възобновяема енергия от вятъра

Вятърната енергия е един от най-динамично развиващите се възобновяеми източници. В света нейната инсталирана мощност е нараснала от 7,5 GW през 1977 г. до 574 GW през 2018 г.

През годините 2009–2013 производството на енергия от вятъра се е удвоило, а през 2016 г. е представлявало 16% от общата възобновяема енергия.

Модерните турбини достигат мощност от 2 MW (на сушата) до 5–8 MW (в морето).

Фактори, влияещи върху производството на енергия от вятъра

Най-важните фактори:

• скорост на вятъра,
• плътност на въздуха,
• диаметър на лопатките.

По-голяма скорост на вятъра = повече енергия. Прекалено силният вятър обаче може да повреди турбината, затова се прилагат гранични скорости (cut-in и cut-out).

По-плътният въздух (по-студен, под по-голямо налягане) дава по-висока ефективност.

По-големите лопатки улавят повече енергия, но изискват повече място и по-силни ветрове.

Какво се случва, когато вятърът не духа?

Турбините произвеждат енергия само когато духа вятър. Когато вятърът спре, енергия се доставя от други източници – напр. газ или хидро. Няма източник на енергия, който да работи без прекъсване – дори атомните електроцентрали понякога имат престои. Затова вятърната енергия работи най-добре в сътрудничество с хидроенергията.

Основни части на вятърната турбина

• Фундамент – свързва кулата със земята, обикновено от стоманобетон.
• Кула – най-голямата и най-тежка част (50–150 м височина). Колкото по-висока, толкова по-добри са ветровите условия.
• Ротор – събира енергията на вятъра и я предава към задвижващата система.
• Гондола (nacelle) – съдържа предавателната кутия, вала и генератора. Завърта се, за да позиционира турбината по посока на вятъра.

Вътрешност на вятърната турбина

• Анемометър – измерва скоростта на вятъра.
• Лопатки – движат се под въздействието на вятъра.
• Спирачки – спират ротора в случай на авария.
• Контролер – включва и изключва турбината в зависимост от скоростта на вятъра.
• Предавателна кутия (gearbox) – увеличава скоростта на въртене от 30–60 rpm до 1000–1800 rpm.
• Генератор – произвежда електрическа енергия.
• Вал с ниска и висока скорост – предава мощността от лопатките към генератора.
• Система за завъртане (yaw) – позиционира турбината по посока на вятъра.

Типове, размери и ефективност на вятърните турбини

Типове турбини

С хоризонтална ос (Horizontal Axis Turbines) – най-често срещаните, лопатките са насочени към вятъра.

• На сушата (On-shore)
• Морски (Off-shore)
• Близо до брега (Near-shore)

С вертикална ос (Vertical Axis Turbines) – вертикални лопатки, всички елементи са близо до земята.

• Darrieus (Eggbeater)
• Giromill
• Savonius
• Twisted Savonius

С насочен канал (Ducted Turbines) – монтирани по ръбовете на сгради, използват въздушния поток по протежение на стените.

Размери на турбините

Вятърните турбини могат да бъдат разделени на три основни групи по отношение на мощността, диаметъра на ротора и височината на кулата:

Домашните турбини имат мощност до около 20–50 kW, диаметър на ротора от 1 до 15 метра и височина на кулата в диапазона 15–40 метра. Използват се главно в домакинства, селскостопански или малки обслужващи обекти, където могат да покрият значителна част от нуждите от електроенергия.

Турбините със средна мощност достигат от 50 kW до 1 MW, с диаметър на ротора 15–50 метра и височина на кулата 30–80 метра. Прилагат се в малки вятърни паркове, промишлени предприятия и в райони с умерени ветрови ресурси.

Комерсиалните турбини се характеризират с мощност от 1 MW до над 10 MW, диаметър на ротора в диапазона 80–180 метра и височина на кулата, достигаща до 150 метра. Такива единици се използват в големи вятърни паркове — както наземни (onshore), така и морски (offshore) — предназначени за производство на енергия в промишлен мащаб и директно свързани към електрическата мрежа.

Ефективност на турбините

Ефективността е отношението на получената енергия към наличната. Теоретичният максимум е лимитът на Бец – 59,3%, на практика турбините достигат около 80% от този лимит.

Предимства и недостатъци на вятърните турбини

Предимства на хоризонталните турбини

• Стабилност благодарение на местоположението на центъра на тежестта
• Възможност за регулиране на лопатките (pitch control)
• Високи кули – достъп до стабилни ветрове

Недостатъци

• Високи разходи за транспорт и монтаж
• Трудна поддръжка
• Радарни смущения

Предимства на вертикалните турбини

• Евтини за поддръжка
• Лесни за монтаж
• Не изискват насочване по посока на вятъра

Недостатъци

• По-малка ефективност
• Труден старт
• Работят само при силен вятър

Предимства на турбините с насочен канал

• Малко визуално въздействие
• Монтаж на покриви
• Производство на енергия на място

Недостатъци

• Само за високи сгради
• Изискват прецизни предварителни проучвания

Как работят вятърните турбини

1.Вятърът задвижва лопатките.

2.Лопатките задвижват вала и предавателната кутия.

3.Предавателната кутия увеличава скоростта на въртене.

4.Генераторът преобразува механичната енергия в електрическа.

5.Анемометърът и ветропоказателят наблюдават условията.

6.Системата за завъртане позиционира турбината по посока на вятъра.

7.Енергията отива към трансформатора, а след това към мрежата.

Инсталиране на вятърни турбини

Етапи на инсталацията:

1. Подготовка на фундамента

2. Изкопаване на кабелни траншеи

3. Изграждане на кулата и монтаж на турбината

4. Окабеляване и свързване на инвертора

5. Свързване към мрежата

6. Финални тестове и пускане в експлоатация

Поддръжка на турбини

Редовното смазване удължава живота на компонентите.

Модерните системи за автоматично смазване намаляват разходите и риска от аварии.

Бъдещето на вятърните турбини

Вятърната енергия е един от най-обещаващите източници за ограничаване на емисиите на CO₂.

Особено динамично се развива енергията от морски турбини (offshore).

Провеждат се изследвания върху малки, преносими турбини за домакинствата.

Резюме

Вятърната енергия е чист и възобновяем източник, който набира популярност благодарение на модерната технология и намаляващите разходи.

Въпреки някои предизвикателства (напр. сблъсъци с птици, шум, визуално въздействие), иновации като турбините без лопатки могат да ги преодолеят.

Елементи като плъзгащите контактни пръстени играят ключова роля в надеждната работа на вятърните турбини, а техният правилен избор значително влияе върху дълготрайността и ефективността на цялата система.