Větrná turbína s vertikální osou: Jak to funguje, výhody a nevýhody

Větrná energie je šetrná k životnímu prostředí, nevyčerpatelná energie, a co je nejlepší, je snadno použitelná doma. K přeměně větrné energie na elektrickou energii se používají větrné elektrárny nebo větrné generátory.

Malé větrné elektrárny budou nákladově efektivní, pokud budou splněny následující podmínky:

1) vítr vane ve vašem místě nepřetržitě mnoho dní v roce;

2) vaše náklady na energii jsou vysoké;
nejste připojeni k napájení nebo je od vás daleko.

Místo, kde budete instalovat větrný generátor, je velmi důležité. Neměl by být umístěn v blízkosti stromů, domů atd., protože. nezískáte plný užitek z větrného mlýna. Síla větru je vždy větší na kopcích, poblíž pobřeží, ve stepích, v místech, kde nejsou žádné stromy nebo budovy. Mějte na paměti, že stromy mohou růst, ale větrný generátor nikoli.

Nečekejte, že vaše větrná elektrárna bude neustále vyrábět dostatek elektřiny. Rychlost větru na stejném místě se může značně lišit a v důsledku toho se bude lišit i množství vyrobené elektřiny. A pokud se síla větru změní do 10 %, pak se vyrobená elektřina změní do 25 %!

Existují 2 hlavní typy větrných generátorů:

s horizontální osou rotace (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine) a vertikální (VAWT – Vertical Axis Wind Turbine). Horizontální větrné mlýny by měly být vždy nasměrovány po větru. Za tímto účelem jejich konstrukce zahrnuje rotační mechanismus. Malé větrné generátory používají mechanismus korouhvičky k otáčení s větrem (takzvaný „ocas“). K dispozici je také mechanismus pro natáčení lopatek podél větru při hurikánových větrech (nad 25 m/s), aby je větrný generátor mohl pohybovat beze ztrát. Stožár pro horizontální větrné turbíny musí být navržen tak, aby se lopatky nedotýkaly předmětů, které se mohou nacházet pod nimi. Vzhledem k velkému průměru lopatek, složitosti natáčecího mechanismu a velkému počtu mechanických spojů je životnost malých horizontálních větrných generátorů 10-15 let. Největší nevýhodou horizontálních větrných generátorů je vysoká startovací (od 3 m/s) a nominální (11-1 5 m/s) rychlost větru – to je činí neúčinnými pro použití v kontinentálních oblastech, kde je průměrná rychlost větru 3- 5 m/sec.

Vertikální větrné generátory fungují v jakémkoli směru větru. Vyžadují menší výšku stožáru, protože. jejich čepele jsou umístěny nad stěžněm, spíše než nad a pod. Navíc, vzhledem k tomu, že lopatky jsou umístěny nad stožárem, vertikální větrný generátor vyrábí více energie, protože Rychlost větru se zvyšuje s rostoucí vzdáleností od země. Tento typ větrného generátoru má méně rotačních a jiných mechanických prvků, takže minimální životnost je 20-25 let. Vertikální větrné generátory jsou určeny pro provoz o rychlosti větru 1-25 m/s. Obvykle nejsou navrženy tak, aby vydržely větry o síle hurikánu, a proto musí být spuštěny, když se hurikán přiblíží. Největší výhodou vertikálních větrných generátorů je nízká startovací (obvykle od 1-2 m/s, u některých od 0.5 m/s) a nominální (7-8 m/s) rychlost větru. Díky tomu jsou velmi efektivní pro použití v kontinentálních oblastech, kde je průměrná rychlost větru 3-5 m/s. Další důležitou výhodou vertikálních větrných generátorů oproti horizontálním je, že je lze snadno instalovat na ploché střechy budov. To umožňuje jejich umístění na střechy průmyslových objektů a výrazně tak ušetřit podnikům na účtech za energie.

Jedním z problémů při výběru a porovnávání větrných generátorů je chybějící jednotný standard pro měření výkonu. Výrobci sami volí, při jaké rychlosti větru uvádějí výstupní výkon. Abyste pochopili, který větrný generátor je pro vás a vaši oblast vhodný, musíte vzít statistické údaje o rychlosti větru a jeho rozložení jako procento z celého roku. Například pro moskevskou oblast v oblasti Kašira statistiky ukazují, že průměrná rychlost větru za rok je 3.3 m/s, průměrná rychlost větru za 6 měsíců v zimě je 5,4 m/s, průměrná rychlost větru za 3. nejchladnější měsíce je 5,7 m/s a rozložení rychlostí větru je:
méně než 1 m/s – 11 % za rok
od 2 do 5 m/s – 52 % za rok
více než 8 m/s – 18 % ročně.

Samozřejmě je obtížné najít taková data pro každou oblast, takže pro posouzení účinnosti konkrétního typu větrného generátoru pro oblast Moskvy jsme sestavili přibližnou tabulku. Jako příklad jsme vzali větrné generátory, které lze zakoupit v Rusku – standardní horizontální větrný generátor, jedinečný horizontální větrný generátor, který začíná při rychlosti větru 0.2 m/s, a vertikální větrné generátory, které si u nás můžete zakoupit. Statistiky rozložení rychlosti větru byly převzaty z oficiálních stránek Moskevského meteorologického úřadu.

Větrná energie, W

Výroba elektřiny, kW*hod

Tato zařízení přeměňují kinetickou energii větru na mechanickou energii otáčení hnacího hřídele. Vertikální osa větrné turbíny je spojena s rotorem, který také pracuje ve svislé poloze. Rotor a generátor jsou umístěny ve spodní části věže.

Lopatky větrného mlýna jsou připojeny přímo k centrální hřídeli spojené s rotorem generátoru. Generátor je umístěn ve spodní části instalace, někdy dokonce na úrovni země.

Když se tedy listy vrtule otáčejí, rotor generátoru se také začne pohybovat a je tedy možné vyrábět elektřinu.

Video: provoz generátoru se svislou osou otáčení

Uvažované větrné mlýny nevyžadují další zařízení, které určuje směr větru a přizpůsobuje mu polohu větrného mlýna. Na větrných generátorech s vodorovnou osou otáčení funguje jako takové zařízení speciální ocasní list.

Tyto turbíny jsou navíc odolnější vůči turbulencím než standardní horizontální.

Uvádíme některé modely takových generátorů, které jsou dnes k dispozici: Giromill, rotor Darrieus, větrné mlýny s rotujícími plachtami a turbíny Savonius.

Výhody

• Hlavní výhodou je ortogonální umístění osy rotoru, což umožňuje umístění zařízení blízko povrchu země. Větrný generátor a převodový mechanismus jsou tedy umístěny ve stejné výšce a pro jejich instalaci nevyžadují konstrukci vysokých konstrukcí.
• Turbína navíc nemusí být orientována po směru větru, díky čemuž je její obsluha velmi snadná.
• Použití vertikálních větrných generátorů poskytuje vysoký efekt, když jsou instalovány na vrcholcích kopců, stolových hor, podél horských hřebenů a na jiných místech, kde jsou přítomny turbulentní proudění vzduchu blízko zemského povrchu.
• V místech, kde je zakázáno umístění vysokohorských větrných turbín, lze umístit vertikální. Zároveň ušetříte peníze a čas, který byste si vyžádali získání příslušných schválení pro vývoj a instalaci vysokověžových instalací větrných turbín s horizontálním hřídelem.
• Nespornou výhodou zařízení s vertikální hřídelí je také jejich schopnost otáčet se v libovolném směru spolu s větrem.

Omezení

• Jednou z nevýhod vertikálních turbín je jejich nízká účinnost v oblastech stálého větru. To je způsobeno vysokou odporovou silou působící na opačné straně, když se snaží zachytit pohybující se proud vzduchu. Proto na pláních a dalších místech s převládajícím konstantním prouděním větru jsou horizontální větrné turbíny nejlepší volbou. Umožňují nejúplnější využití větrné energie v těchto oblastech. V případě turbulentního proudění v blízkosti zemského povrchu se doporučuje používat ortogonální větrné turbíny.
• Další nevýhodou vertikálních větrných turbín je možnost zničení vrtulových listů. Je to dáno tím, že při otáčení kolem hlavní osy na ně neustále působí odstředivé síly. To znamená, že v průběhu času se čepele ohýbají, praskají a kolabují. Pokud se rozbijí, je celý stroj mimo provoz.
• Pokud umístíte větrný mlýn vedle budovy, nebude fungovat, protože je v mrtvém vzdušném prostoru.

Výkon

Vertikální větrné turbíny existují již tisíce let, ale kvůli nízké spolehlivosti a účinnosti jsou v nemilosti. Vyrábějí se však dodnes.

Výrobci tvrdí, že tato zařízení dokážou zachytit vítr z jakéhokoli směru, což ve skutečnosti platí i pro horizontální turbíny.

Ve srovnání s horizontálními instalacemi mají uvažované modely nižší účinnost.