Αιολικοί σταθμοί: τύποι, σχέδια, πλεονεκτήματα

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Η αιολική ενέργεια απέχει πολύ από έναν νέο κλάδο παροχής ενέργειας, ωστόσο, υπό τις παρούσες συνθήκες, γίνεται όλο και πιο έντονα χαρακτηριστικά μιας πολλά υποσχόμενης κατεύθυνσης για περαιτέρω ανάπτυξη. Είναι ακόμα δύσκολο να μιλήσουμε για καθολικές έννοιες για την τεχνική εφαρμογή των ανεμογεννητριών, αλλά η πρόοδος στη χρήση μεμονωμένων λύσεων μηχανικής υποδηλώνει ότι ένα ενιαίο ενοποιημένο δομικό μοντέλο θα εμφανιστεί στο εγγύς μέλλον. Ταυτόχρονα, στον κόσμο χρησιμοποιούνται αρκετοί τύποι ανεμογεννητριών, καθένας από τους οποίους έχει τις δικές του δυνάμεις.

Γενική αρχή λειτουργίας των ανεμογεννητριών

Όπως οι περισσότερες σύγχρονες εναλλακτικές πηγές ενέργειας, η ανεμογεννήτρια λειτουργεί λόγω της δύναμης που ενεργεί ως αποτέλεσμα μιας φυσικής διαδικασίας. Μιλάμε για ροές ανέμου που προκύπτουν από ανομοιόμορφη θέρμανσηεπιφάνεια της γης από τον ήλιο. Σχεδόν όλες οι ανεμογεννήτριες λειτουργούν σύμφωνα με την ακόλουθη αρχή: οι ροές αέρα περιστρέφουν τον τροχό σε έναν ειδικό άξονα με πτερύγια, μεταδίδοντας έτσι τη ροπή στη γεννήτρια ή το πακέτο μπαταριών. Σε συνθήκες σταθερότητας και επαρκούς δύναμης κίνησης του αέρα, οι ανεμόμυλοι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι σε θέση να παρέχουν απόδοση 45-50%. Είναι ακριβώς η μεταβλητότητα του ανέμου και η δύναμή του που καθορίζει τη μεγάλη ποικιλία σχεδίων των ανεμογεννητριών, οι οποίες υπολογίζονται επίσης με βάση συγκεκριμένες κλιματικές συνθήκες χρήσης.

Ποια είναι τα κύρια πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών;

Η αξιολόγηση της απόδοσης των ανεμογεννητριών μπορεί να γίνει τόσο σε σύγκριση με τις παραδοσιακές πηγές ενέργειας όσο και σε σχέση με τις γεννήτριες που λειτουργούν με ανανεώσιμες πηγές χωρίς πηγές. Τα πιο έντονα πλεονεκτήματα τέτοιων συστημάτων, τα οποία δίνουν ελπίδες για την επιτυχή ανάπτυξή τους στο μέλλον, είναι οι ακόλουθοι παράγοντες:

• Η ίδια η αιολική ενέργεια δεν είναι μόνο ανανεώσιμη, αλλά και διαθέσιμη για συσσώρευση και επεξεργασία.
• Οικονομικό όφελος. Οι σαφείς εκτιμήσεις σχετικά με συγκεκριμένους οικονομικούς δείκτες δεν μπορούν ακόμη να οφείλονται στην ποικιλία συστημάτων που λειτουργούν με διαφορετικές επιδόσεις. Αλλά μπορούμε να μιλήσουμε για τα εξαιρετικά αποτελέσματα που επιδεικνύονται από μεμονωμένα έργα. Για παράδειγμα, πόσο κοστίζει ένα κιλοβάτ ηλεκτρικής ενέργειας από έναν μεγάλο υπεράκτιο ανεμόμυλο; Μπορούμε να μιλήσουμε για το εύρος των 2-12 ρούβλια. για 1 kWh.
• Οικολογικό. Η λειτουργία των ανεμογεννητριών δεν προβλέπει επιβλαβείςεκπομπές ατμοσφαιρικών ρύπων.
• Συμπαγές. Η εγκατάσταση μιας ανεμογεννήτριας, ακόμη και σε βιομηχανική μορφή, δεν μπορεί να συγκριθεί με τους παραδοσιακούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην αυτονομία και την ανεξαρτησία τέτοιων συστημάτων από βοηθητικές επικοινωνίες και πόρους.

Γεννήτριες οριζόντιων αξόνων

Το σχέδιο σχεδιασμού τέτοιων ανεμόμυλων προβλέπει την παρουσία ηλεκτρικής γεννήτριας, κιβωτίου ταχυτήτων, λεπίδων και πύργου με πλαίσιο. Η διαμόρφωση των λεπίδων υλοποιείται με τέτοιο τρόπο ώστε ο αέρας να ρέει στη χοάνη, γεγονός που δημιουργεί μια ροπή στρέψης. Σημαντική προϋπόθεση για τη λειτουργία τέτοιων ανεμόμυλων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι η ικανότητα προσαρμογής στα χαρακτηριστικά της κίνησης των ροών (κατεύθυνση και δύναμη). Για αυτό, οι κατασκευές εφοδιάζονται με μηχανισμούς περιστροφής και κλίσης των λεπίδων σε σχέση με την επιφάνεια της γης. Στα πιο προηγμένα μοντέλα χρησιμοποιούνται και ελεγκτές με αυτόματο έλεγχο. Όσον αφορά την εφαρμογή του τροχού ανέμου, η διαμόρφωση τριών λεπίδων χρησιμοποιείται συχνότερα σε οριζόντια σχήματα. Επιπλέον, προκειμένου να αυξηθεί η απόδοση των γεννητριών, οι μηχανικοί τείνουν να αυξάνουν το μέγεθος του λειτουργικού τμήματος υποδοχής, γεγονός που, για παράδειγμα, εξηγεί την τρέχουσα τάση μετάβασης από πλαστικά και ελαφρά μέταλλα σε ακριβά σύνθετα στοιχεία στην κατασκευή κατασκευών.

Γεννήτριες κάθετου άξονα

Τέτοιες γεννήτριες έχουν σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των οριζόντιων κατασκευών,που συνίσταται στην απουσία ανάγκης πρόσθετων μέσων παρακολούθησης και ελέγχου της εγκατάστασης. Δηλαδή, στη διαδικασία λειτουργίας, ένας ανεμόμυλος με κάθετο άξονα δεν προσαρμόζεται σε καμία περίπτωση στην κίνηση των ροών. Αυτό το χαρακτηριστικό αλληλεπίδρασης με μάζες αέρα μειώνει ταυτόχρονα την τάση στα πτερύγια της γεννήτριας ανέμου και μειώνει τα γυροσκοπικά φορτία. Η γεννήτρια με γρανάζια, η οποία αποτελεί τον κινητήρα του εργοστασίου, μπορεί να τοποθετηθεί στη βάση του πύργου της δομής χωρίς τον κίνδυνο ζημιάς ή βλάβης. Γιατί όμως, με τα περιγραφόμενα πλεονεκτήματα, οι κάθετες εγκαταστάσεις δεν αντικατέστησαν εντελώς οριζόντιους ανεμόμυλους; Δυστυχώς, αυτά τα μοντέλα έχουν επίσης σημαντικά μειονεκτήματα. Δεδομένου ότι ο τροχός του ανέμου δεν καθοδηγείται από ροές ανέμου και λειτουργεί πάντα σε ένα στενό εύρος τιμών δέσμευσης ενέργειας, η απόδοση της γεννήτριας λογικά μειώνεται. Επομένως, για να διατηρηθεί επαρκής ισχύς κάθετων ανεμόμυλων, απαιτείται η μαζική χρήση τους σε μεγάλες εκτάσεις, κάτι που δεν είναι πάντα δυνατό.

Σχέδια με βάση τον ρότορα Darrieus

Οι γεννήτριες ανεμογεννητριών με κάθετη φτερωτή βασίζονται στο σχέδιο ρότορα Savonius ή Darrieus. Αλλά αυτή η ομάδα έχει επίσης τις δικές της παραλλαγές και σύγχρονες τροποποιήσεις. Η πιο πολλά υποσχόμενη πρόσφατη εξέλιξη είναι ο ελικοειδής στρόβιλος Gorlov, που δημιουργήθηκε το 2001. Είναι ένα είδος συνέχειας της ιδέας του ρότορα Darrieus, αλλά σε πιο βελτιστοποιημένη μορφή. Οι σπειροειδείς κάθετες λεπίδες επιτρέπουν την παραγωγή ενέργειας από ροές νερού και αέρα με ελάχιστη δραστηριότητα. Σήμερα αυτές οι γεννήτριεςχρησιμοποιούνται τόσο σε εξειδικευμένα αιολικά πάρκα όσο και ως μέρος υδροηλεκτρικών σταθμών.

Ανεμογεννήτριες με ενισχυτές ροής

Επίσης, κατά κάποιο τρόπο, μια συνέχεια των κλασικών σχεδίων των ανεμόμυλων, αλλά προσαρμοσμένα στις τρέχουσες συνθήκες λειτουργίας υψηλής τεχνολογίας. Οι τροποποιήσεις με ενισχυτές ροής διακρίνονται από την παρουσία ενός ή περισσότερων υδρορροών, που έχουν σχεδιαστεί για να συγκεντρώνουν τις ροές αέρα. Αεροδυναμικά στοιχεία σε σχήμα κώνου με τη μορφή αυτών των ίδιων υδρορροών συλλέγουν ροές σε μια μεγάλη περιοχή, προσανατολίζοντάς τες σε ένα σημείο κατεύθυνσης και αυξάνοντας έτσι την ταχύτητα του συστήματος λεπίδων. Η δυσκολία χρήσης ανεμογεννητριών με ενισχυτές ροής είναι ότι απαιτούν τη χρήση μιας πρόσθετης στοιχειακής ομάδας. Επιπλέον, είναι δυνατό να επιτευχθεί σημαντική αύξηση της παραγωγικότητας σε τέτοια συστήματα μόνο με τη σύνδεση βοηθητικών πηγών ενέργειας, κάτι που δεν δικαιολογείται πάντα οικονομικά.

Ανεμογεννήτριες χωρίς γρανάζια

Σύμφωνα με την ιδέα της δομικής βελτιστοποίησης, εμφανίστηκε επίσης μια παραλλαγή ενός αιολικού σταθμού χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων. Αντίθετα, χρησιμοποιείται ένα δακτυλιοειδές κανάλι, εφοδιασμένο με εσωτερική μεταλλική ράβδο. Αυτός ο δακτύλιος είναι εγκατεστημένος γύρω από το χείλος του ρότορα. Εδώ βρίσκεται επίσης μια ομάδα μαγνητών, η οποία αλληλεπιδρά με μια μεταλλική ράβδο, συμβάλλοντας έτσι στη δημιουργία ρεύματος. Η απόδοση των ανεμογεννητριών χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων με διάμετρο ρότορα περίπου 200 cm μπορεί να φτάσει τις 1500 kWhστο έτος. Το κύριο πλεονέκτημα αυτού του σχεδιασμού είναι η μείωση των απωλειών ενέργειας που προκύπτουν φυσικά κατά τη λειτουργία των γεννητριών που διαθέτουν κιβώτια ταχυτήτων. Αλλά πρέπει να πληρώσετε για αυτό το πλεονέκτημα με όρια ταχύτητας. Προκειμένου η μονάδα να εισέλθει σε μια βέλτιστη ροή εργασίας, απαιτείται ταχύτητα ροής τουλάχιστον 2 m/s.

Χαρακτηριστικά των βιομηχανικών ανεμογεννητριών

Οι βιομηχανικοί ανεμόμυλοι έχουν δύο θεμελιώδεις διαφορές - μεγάλο μέγεθος και υψηλή απόδοση ισχύος. Τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τα μειονεκτήματα των σταθμών αυτού του τύπου προέρχονται από αυτά τα χαρακτηριστικά. Όσον αφορά τη δομή, αρκεί να πούμε ότι το ύψος των σύγχρονων βιομηχανικών ανεμόμυλων μπορεί να φτάσει τα 150-200 m και το άνοιγμα της λεπίδας μπορεί να είναι μεγαλύτερο από 100 m. Η υψηλή ισχύς απαιτεί επίσης την πολυπλοκότητα της λειτουργικής υποδομής. Έτσι, για τον έλεγχο της διαδικασίας μετατροπής ενέργειας, χρησιμοποιούνται ελεγκτές αιολικής γεννήτριας, οι οποίοι διασφαλίζουν ότι λαμβάνεται υπόψη η τρέχουσα φόρτιση της μπαταρίας. Επιπλέον, η ηλεκτρική γέμιση τέτοιων εγκαταστάσεων περιλαμβάνει μετατροπείς και συστήματα προστασίας από βραχυκύκλωμα.

Χαρακτηριστικά των οικιακών ανεμογεννητριών

Οι απλούστεροι ανεμόμυλοι μπορούν όχι μόνο να χρησιμοποιηθούν στο σπίτι, αλλά και να συναρμολογηθούν στο χέρι. Κατά κανόνα, πρόκειται για εγκαταστάσεις μικρού μεγέθους με ύψος όχι μεγαλύτερο από 10 m, ικανές να λειτουργούν με ισχύ 0,5-5 kW. Ως παθητική πηγή ενέργειας για οικιακές συσκευέςή μεμονωμένες ομάδες ηλεκτρικών συσκευών, αυτή η επιλογή δικαιολογείται. Ωστόσο, οι συμπαγείς ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται σε μεγάλους αριθμούς σήμερα από μεγάλες εταιρείες για την τροφοδοσία των εγκαταστάσεων παραγωγής. Με βάση τα πάρκα μίνι ανεμόμυλων, διαμορφώνονται επαρκώς παραγωγικά και αξιόπιστα συστήματα που μπορούν να ανταγωνιστούν μεμονωμένες γεννήτριες υψηλής ισχύος.

Χαρακτηριστικά υπεράκτιων ανεμογεννητριών

Η δημοτικότητα αυτού του τύπου ανεμόμυλων οφείλεται σε πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τους σταθμούς που βρίσκονται στην ξηρά. Πρόκειται κυρίως για πιο σταθερές συνθήκες εργασίας, καθώς οι ροές ανέμων δεν εμποδίζονται μακριά από την ακτογραμμή. Ταυτόχρονα, οι δομές των υπεράκτιων ανεμογεννητριών χωρίζονται σε δύο ομάδες - υποστηρικτικές και πλωτές. Τα πρώτα εγκαθίστανται σε ρηχά νερά με κλασικό στήριγμα στο έδαφος κάτω από το νερό. Οι πλωτοί σταθμοί, αντίστοιχα, έχουν τη δική τους πλωτή πλατφόρμα με στερέωση μέσω άγκυρων και άλλων θαλάσσιων συσκευών.

Συνδυασμός κατασκευών ανεμογεννητριών με πλαίσια κτιρίων

Υπάρχει επίσης μια πολλά υποσχόμενη ομάδα ανεμόμυλων που είναι κυριολεκτικά ενσωματωμένοι στο κύτος των πολυώροφων κτιρίων. Η λύση αυτή έχει δύο πλεονεκτήματα - ευνοϊκές συνθήκες για την «υποδοχή» των ροών και μείωση της διαδρομής παράδοσης της ηλεκτρικής ενέργειας, αφού η τελική πηγή τροφοδοσίας είναι συνήθως οι καταναλωτές εντός του κτιρίου. Αυτή τη στιγμή, η ενσωμάτωση ανεμογεννητριών αυτού του τύπου γίνεται συχνότερα χρησιμοποιώνταςειδικούς αεροδυναμικούς κυλίνδρους που είναι τοποθετημένοι σε οροφές ουρανοξυστών. Αναπτύσσεται επίσης η ιδέα των μίνι έλικα, που μπορούν να τοποθετηθούν σε οποιοδήποτε σημείο ενός ψηλού εργοταξίου. Οι συσκευές είναι κυριολεκτικά ενσωματωμένες στους τοίχους και μετά συνδέονται με το γενικό σύστημα τροφοδοσίας, δίνοντας μια μικρή αλλά σταθερή ποσότητα ενέργειας.

Συμπέρασμα

Τα τελευταία χρόνια, το ενδιαφέρον για τις ανεμογεννήτριες έχει αυξηθεί σημαντικά στη Ρωσία. Μεγάλοι σταθμοί ισχύος έως 30-50 MW τίθενται σε λειτουργία περιοδικά σε διάφορες περιοχές. Για τη χώρα μας, οι ανεμόμυλοι είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι γιατί μας επιτρέπουν να παρέχουμε ενέργεια σε απομακρυσμένες περιοχές όπου αυτή τη στιγμή δεν υπάρχει δυνατότητα οργάνωσης άλλων μέσων ενεργειακού εφοδιασμού. Το τμήμα των μικρών σταθμών αιολικής ενέργειας αναπτύσσεται επίσης ενεργά. Στη Ρωσία, μεμονωμένα συστήματα ισχύος 1-5 kW έχουν γίνει πολύ δημοφιλή. Ταυτόχρονα, οι προγραμματιστές δεν αρνούνται να συνδυάσουν τις αρχές λειτουργίας των ανεμόμυλων με κινητήρες εσωτερικής καύσης. Οι επιτυχίες προς αυτή την κατεύθυνση αποδεικνύονται, ειδικότερα, από σχέδια αιολικής ντίζελ. Είναι ακόμα δύσκολο να πούμε πόση αιολική ενέργεια θα είναι σε ζήτηση στη Ρωσία τις επόμενες δεκαετίες, καθώς οι θέσεις των παραδοσιακών πηγών ενέργειας είναι ακόμα ισχυρές. Αλλά οι τάσεις στη μετάβαση στην εναλλακτική ενέργεια σε όλο τον κόσμο είναι πιθανό να ωθήσουν τη ρωσική βιομηχανία να εξερευνήσει ενεργά τέτοιες περιοχές.