Како ради ветротурбина

У зависности од доступних ресурса ветра, турбина може да смањи рачуне за струју за 50–90%, помогне да се избегну високи трошкови довођења електроенергетских водова у удаљена места, спречи прекиде у снабдевању електричном енергијом, а пре свега – пријатељска је према животној средини.

У овом чланку ћемо се упознати са основама ветротурбина – њиховим типовима, величинама, ефикасношћу, предностима и недостацима, начином рада, инсталацијом, одржавањем, и клизним прстеновима. Свако поглавље садржи опис истраживања и свеобухватну анализу обрађених питања.

Ветротурбине захтевају стабилан пренос енергије и сигналних података од гондоле све до секције за управљање лопатицама ротора. Клизни прстенови обезбеђују ефикасност и поузданост која је потребна у тешким условима околине.

Скупе застоје ветротурбина могуће је ограничити применом четкица од влакана и трајних материјала у конструкцији клизних прстенова.

Предности клизних прстенова:

• Могу да раде на различитим температурама
• Одликују се високом поузданошћу
• Не захтевају редовне прегледе
• Не захтевају подмазивање
• Производе минимално загађење хабањем

Шта је ветротурбина?

Ветротурбине су модерна модификација традиционалних ветрењача, популарних у 19. веку. Њихов циљ је ограничавање зависности од фосилних горива и производња енергије на обновљив и еколошки прихватљив начин.

Чињенице о ветротурбинама

Ветротурбине користе кинетичку енергију ветра, која покреће лопатице, ротирајући мотор који претвара кинетичку енергију у механичку, а затим у електричну.

Једноставније речено – турбина ради обрнуто од вентилатора: уместо да користи струју за покретање ваздуха, она користи ветар за производњу струје.

Примена ветротурбина

Вековима људи користе снагу ветра – од ветрењача у Холандији до ранчева у САД, где су служиле за пумпање воде и млевење жита. Данас њихова модерна форма – ветротурбина – производи електричну енергију.

Турбине се граде на високим стубовима како би ухватиле више кинетичке енергије. На висини од 30 метара ветар је јачи и стабилнији. Обично турбина има 2–3 лопатице које чине ротор.

Лопатице делују као крила авиона – разлика притиска изнад и испод њих узрокује ротационо кретање које покреће генератор.

Турбине могу радити самостално (off-grid) или бити повезане са енергетском мрежом. У индустријским применама граде се читаве ветрофарме које испоручују енергију у мрежу.

Обновљива енергија из ветра

Енергија ветра је један од најдинамичније растућих обновљивих извора. У свету је њена инсталирана снага порасла са 7,5 GW 1977. године на 574 GW 2018. године.

У периоду 2009–2013. **производња енергије из ветра се удвостручила**, а 2016. године је чинила 16% укупне обновљиве енергије.

Модерне турбине постижу снагу од 2 MW (на копну) до 5–8 MW (на мору).

Фактори који утичу на производњу енергије из ветра

Најважнији фактори:

• брзина ветра,
• густина ваздуха,
• пречник лопатица.

Већа брзина ветра = више енергије. Међутим, прејак ветар може оштетити турбину, због чега се користе граничне брзине (cut-in и cut-out).

Гушћи ваздух (хладнији, под већим притиском) даје већу ефикасност.

Веће лопатице хватају више енергије, али захтевају више простора и јаче ветрове.

Шта се дешава када нема ветра?

Турбине производе енергију само када дува ветар. Када ветар престане, енергију обезбеђују други извори – нпр. гас или хидро. Нема извора енергије који ради без прекида – чак и нуклеарне електране понекад имају застоје. Због тога енергија ветра најбоље функционише у сарадњи са хидроенергијом.

Главни делови ветротурбине

• Фундамент – повезује стуб са подлогом, обично од армираног бетона.
• Стуб – највећи и најтежи део (50–150 м висине). Што је виши, то су бољи услови ветра.
• Ротор – сакупља енергију ветра и преноси је на погонски систем.
• Гондола (nacelle) – садржи мењач, вратило и генератор. Ротира се како би поставила турбину у смеру ветра.

Унутрашњост ветротурбине

• Анемометар – мери брзину ветра.
• Лопатице – померају се под утицајем ветра.
• Кочнице – заустављају ротор у случају квара.
• Контролер – укључује и искључује турбину у зависности од брзине ветра.
• Мењач (gearbox) – повећава брзину ротације са 30–60 rpm на 1000–1800 rpm.
• Генератор – производи електричну енергију.
• Вратило ниске и високе брзине – преноси снагу са лопатица на генератор.
• Систем за усмеравање (yaw) – поставља турбину у смеру ветра.

Типови, величине и ефикасност ветротурбина

Типови турбина

Хоризонтална оса (Horizontal Axis Turbines) – најчешће, лопатице су усмерене према ветру.

• На копну (On-shore)
• На мору (Off-shore)
• Близу обале (Near-shore)

Вертикална оса (Vertical Axis Turbines) – вертикалне лопатице, сви елементи су близу тла.

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

Каналне (Ducted Turbines) – монтирају се на ивицама зграда, користе проток ваздуха дуж зидова.

Величине турбина

Ветротурбине се могу поделити у три главне групе према снази, пречнику ротора и висини стуба:

Домаће турбине имају снагу до око 20–50 kW, пречник ротора од 1 до 15 метара и висину стуба у распону од 15–40 метара. Користе се углавном у домаћинствима, на пољопривредним имањима или у малим услужним објектима, где могу покрити значајан део потребе за електричном енергијом.

Турбине средње снаге достижу од 50 kW до 1 MW, са пречником ротора од 15–50 метара и висином стуба од 30–80 метара. Примењују се у малим ветрофармама, индустријским постројењима и на подручјима где су доступни умерени ресурси ветра.

Комерцијалне турбине карактерише снага од 1 MW до преко 10 MW, пречник ротора у распону од 80–180 метара и висина стуба која достиже чак 150 метара. Овакве јединице се користе у великим ветрофармама — како копненим (onshore), тако и морским (offshore) — намењеним за производњу енергије у индустријском обиму и директно се прикључују на електроенергетску мрежу.

Ефикасност турбина

Ефикасност је однос добијене енергије према расположивој. Теоретски максимум је Бетзов лимит – 59,3%, у пракси турбине достижу око 80% тог лимита.

Предности и недостаци ветротурбина

Предности хоризонталних турбина

• Стабилност захваљујући положају центра гравитације
• Могућност регулације лопатица (pitch control)
• Високи стубови – приступ стабилним ветровима

Недостаци

• Високи трошкови транспорта и монтаже
• Тешко одржавање
• Радарске сметње

Предности вертикалних турбина

• Јефтине за одржавање
• Лаке за монтажу
• Не захтевају усмеравање према ветру

Недостаци

• Мања ефикасност
• Тежак старт
• Раде само при јаком ветру

Предности каналних турбина

• Мали визуелни утицај
• Монтажа на крововима
• Производња енергије на лицу места

Недостаци

• Само за високе зграде
• Захтевају прецизна претходна истраживања

Како раде ветротурбине

1.Ветар покреће лопатице.

2.Лопатице покрећу вратило и мењач.

3.Мењач повећава брзину ротације.

4.Генератор претвара механичку енергију у електричну.

5.Анемометар и ветроказ надгледају услове.

6.Систем за усмеравање поставља турбину у смеру ветра.

7.Енергија долази до трансформатора, а затим до мреже.

Инсталација ветротурбина

Фазе инсталације:

1. Припрема фундамента

2. Копање кабловских ровова

3. Изградња стуба и монтажа турбине

4. Каблирање и прикључење инвертера

5. Повезивање са мрежом

6. Завршна тестирања и пуштање у рад

Одржавање турбина

Редовно подмазивање продужава животни век компонената.

Модерни системи аутоматског подмазивања смањују трошкове и ризик од кварова.

Будућност ветротурбина

Енергија ветра је један од најодговорнијих извора за смањење емисија CO₂.

Посебно динамично се развија енергија из морских турбина (offshore).

Спроводе се истраживања малих, преносивих турбина за домаћинства.

Резиме

Енергија ветра је чист и обновљив извор који добија на популарности захваљујући модерној технологији и паду трошкова.

Упркос одређеним изазовима (нпр. судари са птицама, бука, визуелни утицај), иновације као што су турбине без лопатица могу да их превазиђу.

Елементи попут клизних прстенова играју кључну улогу у поузданом раду ветротурбина, а њихов правилан избор значајно утиче на трајност и ефикасност целог система.