Kaip veikia vėjo turbina

Priklausomai nuo turimų vėjo išteklių, turbina gali sumažinti elektros sąskaitas 50–90 %, padėti išvengti didelių elektros linijų tiesimo į atokias vietas išlaidų, užkirsti kelią elektros tiekimo sutrikimams ir, svarbiausia, yra draugiška aplinkai.

Šiame straipsnyje susipažinsime su vėjo turbinų pagrindais – jų tipais, dydžiais, efektyvumu, privalumais ir trūkumais, veikimo principu, montavimu, priežiūra ir slydimo žiedais. Kiekviename skyriuje pateikiamas tyrimų aprašymas ir išsami nagrinėjamos temos analizė.

Vėjo turbinos reikalauja stabilaus energijos ir duomenų signalų perdavimo nuo gondolos iki mentės valdymo sistemos. Slydimo žiedai užtikrina našumą ir patikimumą, reikalingus sudėtingomis aplinkos sąlygomis.

Brangius vėjo turbinų prastovos laikotarpius galima sumažinti naudojant pluoštines šepetėles ir patvarius slydimo žiedų konstrukcijos medžiagų sprendimus.

Slydimo žiedų privalumai:

• Gali veikti įvairiose temperatūrose
• Yra labai patikimi
• Nereikalauja reguliarios priežiūros
• Nereikia tepimo
• Sukelia minimalų nusidėvėjimą ir taršą

Kas yra vėjo turbina?

Vėjo turbinos yra modernizuota tradicinių vėjo malūnų versija, populiari XIX amžiuje. Jų tikslas – sumažinti priklausomybę nuo iškastinio kuro ir gaminti energiją atsinaujinančiu bei aplinkai draugišku būdu.

Faktai apie vėjo turbinas

Vėjo turbinos naudoja vėjo kinetinę energiją, kuri suka mentes, o šios suka veleną, paverčiant mechaninę energiją į elektros energiją.

Paprastai tariant – turbina veikia priešingai nei ventiliatorius: vietoj elektros energijos naudojimo oro judėjimui ji naudoja vėją, kad gamintų elektrą.

Vėjo turbinų taikymas

Žmonės naudojo vėjo jėgą šimtmečius – nuo vėjo malūnų Nyderlanduose iki ūkių JAV, kur jie buvo naudojami vandeniui pumpuoti ar grūdams malti. Šiandien jų moderni forma – vėjo turbina – gamina elektros energiją.

Turbinos statomos ant bokštų, kad sugautų daugiau kinetinės energijos. 30 metrų aukštyje vėjas yra stipresnis ir pastovesnis. Paprastai turbina turi 2–3 mentes, sudarančias rotorių.

Mentės veikia kaip lėktuvo sparnai – slėgio skirtumas virš jų ir po jomis sukelia sukamąjį judesį, kuris suka generatorių.

Turbinos gali veikti savarankiškai (off-grid) arba būti prijungtos prie elektros tinklo. Pramoniniuose taikymuose statomos visos vėjo jėgainių fermos, tiekiančios energiją į tinklą.

Atsinaujinanti vėjo energija

Vėjo energija yra vienas sparčiausiai augančių atsinaujinančių energijos šaltinių. Pasaulyje įrengta galia išaugo nuo 7,5 GW 1977 metais iki 574 GW 2018 metais.

2009–2013 m. vėjo energijos gamyba padvigubėjo, o 2016 m. sudarė 16 % visos atsinaujinančios energijos.

Šiuolaikinės turbinos pasiekia 2 MW (sausumoje) iki 5–8 MW (jūroje) galią.

Veiksniai, turintys įtakos energijos gamybai

• vėjo greitis,
• oro tankis,
• menčių skersmuo.

Didesnis vėjo greitis = daugiau energijos. Tačiau per stiprus vėjas gali sugadinti turbiną, todėl taikomi ribiniai greičiai (cut-in ir cut-out).

Tankesnis (šaltesnis, aukštesnio slėgio) oras padidina efektyvumą.

Didesnės mentės pagauna daugiau energijos, bet reikalauja daugiau vietos ir stipresnių vėjų.

Ką daryti, kai vėjas nepučia?

Turbinos gamina energiją tik tada, kai pučia vėjas. Kai vėjas nustoja pūsti, energiją tiekia kiti šaltiniai – pvz., dujos ar hidroenergija. Nėra energijos šaltinio, kuris veiktų nuolat – net branduolinės elektrinės kartais sustoja. Todėl vėjo energija geriausiai veikia kartu su hidroenergija.

Pagrindinės vėjo turbinos dalys

• Pamatas – jungia bokštą su žeme, dažniausiai iš gelžbetonio.
• Bokštas – didžiausia ir sunkiausia dalis (50–150 m aukščio). Kuo aukštesnis, tuo geresni vėjo sąlygų rodikliai.
• Rotorius – surenka vėjo energiją ir perduoda ją į pavaros sistemą.
• Gondola – talpina reduktorių, veleną ir generatorių. Sukasi, kad atsisuktų į vėjo kryptį.

Vidinės turbinos dalys

• Anemometras – matuoja vėjo greitį.
• Mentės – juda nuo vėjo jėgos.
• Stabdžiai – sustabdo rotorių avarijos atveju.
• Valdiklis – įjungia ir išjungia turbiną pagal vėjo greitį.
• Reduktorius – padidina sukimosi greitį nuo 30–60 rpm iki 1000–1800 rpm.
• Generatorius – gamina elektros energiją.
• Lėtasis ir greitasis velenai – perduoda galią nuo menčių į generatorių.
• Posūkio sistema (yaw) – nukreipia turbiną pagal vėjo kryptį.

Vėjo turbinų tipai, dydžiai ir efektyvumas

Turbinų tipai

Horizontalios ašies (Horizontal Axis Turbines) – dažniausiai naudojamos, mentės nukreiptos į vėją.

• Sausumos (On-shore)
• Jūros (Off-shore)
• Pakrantės (Near-shore)

Vertikalios ašies (Vertical Axis Turbines) – mentės vertikalios, visi komponentai prie žemės.

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

Kanalinės turbinos (Ducted Turbines) – montuojamos ant pastatų kraštų, išnaudoja oro srautą palei sienas.

Turbinų dydžiai

Vėjo turbinos skirstomos į tris pagrindines grupes pagal galią, rotoriaus skersmenį ir bokšto aukštį:

Buitinės turbinos turi iki 20–50 kW galią, rotoriaus skersmenį nuo 1 iki 15 m ir bokšto aukštį 15–40 m. Jos naudojamos namų ūkiuose, ūkiuose ar smulkiuose versluose, kur gali patenkinti didelę dalį elektros poreikio.

Vidutinės galios turbinos siekia nuo 50 kW iki 1 MW, su rotoriaus skersmeniu 15–50 m ir bokšto aukščiu 30–80 m. Jos naudojamos mažose vėjo jėgainėse, pramonėje ir vietose, kur vėjo ištekliai vidutiniai.

Komercinės turbinos pasižymi 1–10+ MW galia, rotoriaus skersmeniu 80–180 m ir bokšto aukščiu iki 150 m. Tokios turbinos naudojamos didelėse sausumos ir jūrinėse vėjo jėgainėse, prijungtose prie elektros tinklo.

Turbinų efektyvumas

Efektyvumas – tai gautos energijos santykis su prieinama. Teorinis maksimumas – Betz'o riba – 59,3 %, o praktikoje turbinos pasiekia apie 80 % šio limito.

Vėjo turbinų privalumai ir trūkumai

Horizontalių turbinų privalumai

• Stabilumas dėl žemo svorio centro
• Galima reguliuoti mentes (pitch control)
• Aukšti bokštai – stabilesni vėjai

Trūkumai

• Didelės transportavimo ir montavimo išlaidos
• Sunkus aptarnavimas
• Gali trukdyti radarams

Vertikalių turbinų privalumai

• Pigios priežiūrai
• Paprasta montuoti
• Nereikia nukreipti pagal vėją

Trūkumai

• Mažesnis efektyvumas
• Sunkus paleidimas
• Veikia tik esant stipriam vėjui

Kanalinių turbinų privalumai

• Mažas vizualinis poveikis
• Montuojamos ant stogų
• Energijos gamyba vietoje

Trūkumai

• Tinka tik aukštiems pastatams
• Reikia tikslių išankstinių tyrimų

Kaip veikia vėjo turbinos

1. Vėjas suka mentes.

2. Mentės suka veleną ir reduktorių.

3. Reduktorius padidina sukimosi greitį.

4. Generatorius paverčia mechaninę energiją į elektrą.

5. Anemometras ir vėjo krypties jutiklis stebi sąlygas.

6. Posūkio sistema nukreipia turbiną pagal vėją.

7. Energija perduodama į transformatorių, o tada – į tinklą.

Vėjo turbinų montavimas

Montavimo etapai:

1. Pamatų paruošimas

2. Kabelių griovių kasimas

3. Bokšto ir turbinos montavimas

4. Kabelių prijungimas ir inverterio įrengimas

5. Prijungimas prie tinklo

6. Galutiniai bandymai ir paleidimas

Turbinų priežiūra

Reguliarus tepimas prailgina komponentų tarnavimo laiką.

Modernios automatinės tepimo sistemos sumažina išlaidas ir gedimų riziką.

Vėjo turbinų ateitis

Vėjo energija yra viena perspektyviausių priemonių mažinant CO₂ išmetimą.

Ypač sparčiai vystosi jūrinių (offshore) turbinų technologijos.

Atliekami tyrimai dėl mažų, nešiojamų turbinų namų ūkiams.

Išvada

Vėjo energija – švarus ir atsinaujinantis energijos šaltinis, kuris populiarėja dėl technologinės pažangos ir mažėjančių sąnaudų.

Nors egzistuoja iššūkiai (pvz., paukščių susidūrimai, triukšmas, vizualinis poveikis), inovacijos, tokios kaip be menčių turbinos, gali juos įveikti.

Tokie elementai kaip slydimo žiedai atlieka svarbų vaidmenį patikimam vėjo turbinų darbui, o jų tinkamas pasirinkimas turi didelę įtaką visos sistemos ilgaamžiškumui ir efektyvumui.