Typy veterných elektrární Z čoho sa skladá veterná elektráreň? Systém natáčania rotora do smeru vetra Regulačné a kontrolné prvky Ako funguje veterná elektráreň?   Typy veterných elektrární Veterný motor je zariadenie ktoré premieňa energiu vetra na energiu mechanickú alebo elektrickú. Poznáme mnoho takýchto mechanizmov z praxe bez toho aby sme si uvedomovali princíp ich fungovania. Veterné mlyny slúžiace po mnohé storočia na mletie obilnín, čerpadlá púmp a studní alebo celých komplexov zavlažovacích kanálov sa zdajú byť v našich zemepisných šírkach už minulosťou, avšak nebolo by spravodlivé odhadzovať ich na smetisko dejín techniky keďže v mnohých oblastiach sveta stále spolahlivo plnia svoju úlohu a majú veľmi dobrú perspektívu aj do budúcnosti vďaka svojej finančnej nenáročnosti, nezávislosti na centrálnych zdrojoch energie a taktiež svojej tradíciou overenej spolahlivosti. Nie sú využívané len v rozvojových krajinách ako by sa mohlo zdať, ale taktiež v rôznych odlahlých oblastiach bez vlastnej infraštruktúry v takých bohatých krajinách ako je napríklad aj USA. Najčastejšie spomedzi týchto mechanizmov sú práve tie využívané na čerpanie vody. Veterná elektráreň je taký typ veterného motora ktorý vyrába elekrickú energiu, tú je potom možné spotrebovať priamo na mieste alebo ju dodávať do siete. Existuje veľa typov takýchto zariadení, pozrime sa teda aspoň na zástupcov z radov tých najupoužívanejších a na ich základné rozdelenie: Rozdelenie podla výkonu: malé do 20 kW stredné od 20 kW do 50 kW veľké nad 50 kW Rozdelenie podla ďaľšieho spracovania vyrobenej energie: do 5 kW prevážne nabíjanie akumulátorov od 5 kW do 20 kW dodávanie do siete alebo ohrev užitkovej vody od 20 kW takmer výhradne dodávanie elektriny do siete Rozdelenie podľa konštrukcie samotnej veternej elektrárne: s vertikálnou osou rotácie s horizontálnou osou rotácie |obr.| - späť k obsahu - Z čoho sa skladá veterná elektráreň? rotor generátor prevodovka systém natáčania do smeru vetra stožiar a rám strojovne regulačný systém ... a ako to všetko spolu funguje? Rotor je časť veternej elektrárne, ktorá sa vo vetri roztáča a energia ktorú takto "polapíme" sa potom premiaňa na elektrinu alebo mechanickú prácu a môžeme ju využiť. Existujú štyry v teórii dostatočne prepracované a dlhou praxou overené typy veterných motorov, ktorých použitie je už bežnou záležitosťou kdekolvek na svete. Vrtula spomedzi všetkých veterných motorov má najväčšiu účinnosť (približne 58 %) ak predpokladáme že účinnosť prevodu medzi mechanickou energiou a elektrickou energiou je 80 % potom celková účinnosti takejto elektrárne môže dosahovať až 40 - 45 %. Je to rýchlobežný typ veterného motora čo znamená že maximálnu účinnosť dosahuje pri rýchlobežnosti (rýchlobežnosť je pomer obvodovej rýchlosti končekov listov rotora a rýchlosti vetra, čo v praxi znamená že vrtula otáčajúca sa rýchlosťou vetra má rýchlobežnosť 1 zatialčo vrtula otáčajúca sa desaťnásobnou rýchlosťou má rýchlobežnosť 10). Výhody - malý počet listov - nižšia cena než pri mnoho lopatkovon mechanizme - namáhanie listov poryvmi vetra je menšie pretože sú dimenzované pre výrazne väčšie odstredivé sily - v pokojovom stave nie je tlak na os otáčania spôsobovaný vlastnou váhou vrtule príliš velký, dochádza teda k menšej únave materiálu Nevýhody - počiatočný točivý moment je velmi malý preto je nutné tieto mechanizmy vybaviť elektrickým rozbehom alebo dvojstupňovou reguláciou - kde je vrtula pri rozbehu viacej naklonená do horizontálneho smeru a v momente kedy dosiahne dostatočnú rýchlosť sa nastaví do pracovnej polohy Výkon |P| ktorý je možné získaťpri danom premere vrtule (D) a rýchlosti vetra (v) je možné vypočítať zo vzorca: P = 0,2 v2 D3 Lopatkové koleso pomalobežný veterný motor, obvyklý počet lopatiek sa pohybuje medzi 12 a 24, priemer kolesa medzi 5 až 8 metrov, maximálnej účinnosti je dosahované pri rýchlobežnosti 1. Pomalobežný motor dosahuje 75 % účinnosti rýchlobežného motora, je vhodnejší pre čerpanie vody Výkon je možné vyrátať zo vzorca: P = 0,15 v2 D3 Darrieov motor skladá sa z 2 a viac krídel rotujúcich okolo vertikálnej osi Výhody - vysoká účinnosť - možnosť umiestnenia generátoru do spodnej časti stožiaru - jednoduchá konštrukcia Nevýhody - zlá schopnosť rozbehu (zvyčajne je nutný nútený rozbeh) Savoniov rotor je tvorený dvomi polvalcami, maximálnu účinnosť dosahuje pri rýchlobežnosti 0,9 až 1. Nevýhody - z tvaru vyplývajúca existencia dvoch mŕtvych uhlov, kde nevzniká prakticky žiadny točivý moment - pomerne malá účinnosť Výhody - velmi jednoduchá konštrukcia - nízka cena Z porovnania výhod a nedostatkov Darrieovho a Savoniovho motoru jasne vyplýva, že kombináciopu týchto dvoch typov je možné vytvoriť velmi efektívny a perspektívny typ veterného motora, kde Savoniov motor zebezpečuje jednoduchý rozbeh aj pri nízkych rýchlostiach vetra a potom nastupuje Darrieov motor s omnoho väčšou účinnosťou. Generátor Základné typy generátora sú: jednosmerný synchrónny asynchrónny V malých veterných elektrárňach sa zväčša používajú jednosmerné generátory vhodné pre dobíjanie akumulátorov, pretože produkujú jednosmerný prúd ktorý je možné v akumulátoroch bez problémov ukladať, dá sa použiť aj striedavý generátor v takom prípade však nutné sústavu vybaviť aj vhodným usmerňovačom. V stredných a velkých veterných elektrárňach sa používajú hlavne synchrónne alebo asynchrónne generátory. Výhody synchrónnych generátorov: - veľká účinnosť - nízke pracovné otáčky - schopnosť pracovať aj pri vysokých otáčkach - z toho vyplývajúca použiteľnosť pre velký rozsah rýchlostí vetra Nevýhody - vysoká cena v porovnaní s asynchrónnymi generátormi - komplikovaný riadiaci a kontrolný systém z dôvodu nutnosti pripojiť generátor na sieť presne v momente kedy napetie a priebeh fáz na jeho svorkách odpovedajú tým v sieti Výhody asynchrónnych generátorov: - lacnejšia konštrukcia - velmi jednoduché pripojenie ku sieti - pri pripojení ku sieti sa neprejavujú oscilačné javy - možnosť pripojenia k sieti aj keď sa otáčky generátora líšia od synchrónnych až do 5 % - možnosť použitia pri rozbehu motora elektrárne - používa sa hlavne u rýchlobežných elektrární kde je rozbehový moment nedostatočný na samostatný rozbeh Nevýhody: - pri rozbehu generátor odoberá zo siete prúd pre vytvorenie vlastného magnetického pola, je to však malá nevýhoda ktorú možno vyrovnať použitím batérie kondenzátorov - späť k obsahu - Systém natáčania rotora do smeru vetra Pri starobylých mlynoch žiadny automatický systém natáčania do smeru vetra neexistoval a tak sa lopatky natáčali ručne. Dnes však existuje viacero bezobslužných spôsobov od jednoduchých mechanických "fígľov" až po náročnejšie mechenizmy s vlastným motorom. Štandartne sa používajú tieto mechanizmy: - chvostová plocha - je používaná hlavne pri malých elertrárňach do 5 kW, je to konštrukčne velmi jednoduché riešenie, kedy sa plocha pevne pripojená na strojovňu elektrárne otáča po smere vetra a tak zaručuje že rotor je vždy natočený kolmo na smer vetra. Je to veľmi spolahlivý a minimálne poruchový systém jeho nevýhodou je však že pri náhlych zmenách prúdenia vetra je strojovňa otáčená veľmi prudko a tak vznikajú tlaky urýchlujúce únavu materiálu predovšetkým na hriadli a tiež celkovej nosnej konštrukcii elektrárne. - bočné pomocné rotory - je to mierne zložitejší mechanizmus, kde dve vrtulky po bokoch strojovne otáčajú celé jej telo pomocou sústavy ozubených kolies. Výhodou je postupné otočenie a teda mimnimálna námaha hriadela. - natáčanie pomocnými motormi - sú používané pri väčších elektrárňach s ťažšou strojovňou. Sú to komplikované mechanizmy pozostávajúce zo snímacieho, hodnotiaceho, riadiaceho a akčného prvku - elektromotora. Výhodou je pozvolné a presné natočenie strojovne do smeru vetra, nevýhodou je finančná a technická náročnosť. Pri veľkých elektrárňach je však takýto mechanizmus nevyhnutnosťou.) Tiež je potrebné zariadenie, ktoré ochráni elektráreň v prípade prípiš silného vetra. V zásade sú dve možnosti, otočenie strojovne elektrárne do takého smeru, aby vrtula vyvolávala čo najmenší odpor vzduchu, alebo natočenie jednotlivých lopatiek vrtule v smere vetra. - späť k obsahu - Regulačné a kontrolné prvky Od najjednoduchších čisto mechanických systémov používaných v domácich kutilských verziách veterných motorov až po komplikované počítače nutné k prevádzke niekoľko megawattových elektrární existuje mnoho možností a úrovní takéhoto vybavenia, nie je v našich možnostiach všetky ich obsiahnuť v tejto kapitole ale priblížme si aspoň stručne ich úlohu. - ovládacie a kontrolné prvky - umožňujú reguláciu a kontrolu chodu elektrárne - systém regulácie vrtule - zabezpečuje stálosť otáčok vrtule a jej brzdenie v prípade nutnosti - kontrolný systém - čidlá sprostredkujúce rôzne informácie o aktuálnom stave chodu elektrárne - systém pripojenia k sieti - rozhodujúcim spôsobom môže ovlivniť efektivitu elektrárne a čiže aj jej návratnosť, rozhoduje o momente pripojenia a odpojenia elektrárne k sietiä