ÚVOD

Veterné turbíny sú najnovšou technológiou k premene veternej energie. Základné veterné mlyny sa používali v Európe storočia. Súčasné systémy pozostávajú zo stožiara, niekoľkých voľne sa otáčajúcich lopatiek, systému výroby energie a rôznych regulátorov. Veternú turbínu ako komplexný celok tvorí zdanlivo niekoľko samostatných častí, ktorých vyčlenenie a popis funkcie sú známe aj z iných zariadení. Veterná turbína je postavená z dielov značne rozšírených v strojárenskej technológií.

Zaoberáme sa veternou turbínou s horizontálnou osou, ktorá tvorí väčšinu dnešných zariadení v prevádzke. Tieto zariadenia môžu byť triedené podľa polohy stožiara (náveternej alebo záveternej), podľa kĺbového spojenia lopatky (pevné alebo pohyblivé), systému aerodynamického riadenia (strata rýchlosti (= pokles vztlaku) alebo regulácie sklonu) a počtu lopatiek.

Článok sa zaoberá aj základnými princípmi aerodynamiky veternej turbíny, na ktorých je založený jej chod.

1 ZÁKLADNÉ ČASTI VETERNEJ TURBÍNY

Obrázok 1 Základné časti veternej turbíny
1 – kryt turbíny, 2 – lopatky rotora, 3 – hlavica, 4 – nízkorýchlostný hriadeľ, 5 – prevodovka, 6 – vysokorýchlostný hriadeľ s mechanickou brzdou, 7 – elektrický generátor, 8 – mechanizmus vychyľovania, 9 – elektronický regulátor, 10 – hydraulický systém, 11 – stožiar, 12 – anemometer a veterné krídielko

Stručný popis jednotlivých častí

Lopatky rotora
Lopatky rotora zachytávajú vietor a odovzdávajú jeho energiu do hlavice rotora. Na modernej 1000 kW veternej turbíne, každá lopatka meria približne 27 metrov na dĺžku a konštrukciou je podobná krídlu lietadla. Rotor zložený z lopatiek rotora a hlavice je umiestnený na náveternej strane veže. Je to dôležité kvôli tomu, že prúd vzduchu za vežou je veľmi nerovnomerný (turbulentný).

Skúšanie mechanických vlastností lopatiek je vidieť na Obrázku 2 a 3. Pravidelná kontrola a ošetrovanie lopatiek veternej turbíny - Obrázok 5. Lopatky rotora LM pripravené k expedícii. Základová časť lopatiek. – Obrázok 4.

Kryt turbíny
Kryt obsahuje kľúčové súčastí veternej turbíny, zahŕňajúce prevodovku, a elektrický generátor. Obsluha môže vstupovať do puzdra zo stožiara turbíny. V ľavej časti puzdra je rotor veternej turbíny, t.j. lopatky rotora a hlavica. Kryt je na najnovších veterných turbínach.

Hlavica
Hlavica rotora je pripevnená k nízkorýchlostnému hriadeľu veternej turbíny.

Obrázok 2 Statický test lopatky                  Obrázok 3 Skúšobné stanoviská: lopatky sú
LM 61,5 P [7]                                              namáhané na deformáciu zodpovedajúcu
                                                                 20 rokom prevádzky [7]

Obrázok 4 Základová časť lopatiek [7].       Obrázok 5 Pravidelná kontrola
                                                                 a ošetrovanie lopatky veternej turbíny[7]
Nízkorýchlostný hriadeľ
Nízkorýchlostný hriadeľ veternej turbíny spája hlavicu rotora k prevodovke. Na modernej 1000 kW veternej turbíne sa rotor otáča relatívne pomaly, približne 19 až 30 otáčok za minútu. Hriadeľ v sebe zahŕňa rúrky hydraulického systému umožňujúceho činnosť aerodynamického brzdenia.

Prevodovka – Obrázok 6
Prevodovka má vľavo nízkorýchlostný hriadeľ. Správne otáčky sú vykonávané vysokorýchlostnýmj hriadeľom, ktorý sa otáča približne 50 krát rýchlejšie ako nízkorýchlostný hriadeľ.

Obrázok 6 Prevodovka

Vysokorýchlostný hriadeľ s mechanickou brzdou
Vysokorýchlostný hriadeľ sa točí približne 1500 otáčkami za minútu a poháňa elektrický generátor. Je vybavený núdzovou mechanickou kotúčovou brzdou. Mechanická brzda je použitá v prípade zlyhania aerodynamickej brzdy, alebo keď dôjde k údržbe.

Elektrický generátor – Obrázok 7
Je ním zvyčajne tzv. indukčný generátor alebo asynchrónny generátor. Na modernej veternej turbíne je zvyčajne maximálny elektrický výkon medzi 600 až 3000 kW.

Obrázok 7 Elektrický generátor

Vychyľovací mechanizmus – Obrázok 8
Používa elektrické motory k natáčaniu krytu turbíny s rotorom proti vetru. Vychyľovací mechanizmus je riadený elektrickým regulátorom, ktorý sníma smer vetra za použitia veterného krídielka. Veterná turbína sa spravidla natáča iba o niekoľko stupňov na čas, keď vietor mení jeho smer.

Obrázok 8 Vychyľovací mechanizmus

Elektronický regulátor
Obsahuje počítač, ktorý priebežne monitoruje situáciu veternej turbíny a riadi vychyľovací mechanizmus. V prípade akejkoľvek poruchy (napríklad prehriatie prevodovky alebo generátora), automaticky zastaví veternú turbínu a počítač cez telefónne modemové spojenie privolá k turbíne pracovníka.

Hydraulický systém
Je používaný k pritiahnutiu aerodynamických bŕzd veternej turbíny.

Chladiaca jednotka
Obsahuje elektrický ventilátor, ktorý je používaný k ochladzovaniu elektrického generátora. Naviac, obsahuje jednotku chladenia oleja , ktorá je využívaná k ochladzovaniu oleja v prevodovke. Niektoré turbíny majú generátory ochladzované vodou.

Stožiar
Stožiar veternej turbíny nesie kryt a rotor. Všeobecne, je výhodou mať vysoký stožiar, pretože rýchlosť vetra vzrastá smerom od povrchu. Typická moderná 1000 kW turbína má stožiar vysoký 50 až 80 metrov (výska 17-27 poschodovej budovy). Stožiare môžu byť trubicovitého tvaru – Obrázok 9 a 10 alebo ako rámový stožiar – Obrázok 11. Trubicovité stožiare sú bezpečnejšie pre pracovníkov, ktorí musia udržiavať turbíny, keďže môžu použiť vnútorné schody k dosiahnutiu vrcholu turbíny. Výhodou rámovej konštrukcie stožiara je v prvom rade to, že sú lacnejšie. Hybridné riešenie stožiara dosiahneme kombináciou predchádzajúcich dvoch spôsobov – Obrázok 12.

Obrázok 9 Trubicovité oceľové stožiare         Obrázok 10 Trubicovité oceľové stožiare

Obrázok 11 Rámová konštrukcia                  Obrázok 12 Hybridné riešenie stožiara
stožiara
Anemometer a veterné krídielko
Anemometer a veterné krídlo sú používané k meraniu rýchlosti a smeru vetra. Elektronické signály z anemometra sú používané elektronickým regulátorom turbíny k naštartovaniu chodu veternej turbíny, keď rýchlosť vetra dosiahne približne 5 metrov za sekundu. Počítač zastaví veternú turbínu automaticky, keď rýchlosť vetra prekročí 25 metrov za sekundu, kvôli ochrane turbíny a jej okolia. Signály veterného krídielka sú používané elektronickým regulátorom veternej turbíny k natočeniu turbíny proti vetru, za použitia vychyľovacieho mechanizmu [1].

Montáž veľkej veternej turbíny – Obrázok 13.

Obrázok 13 Príklad montáže veľkej veternej turbíny [7]

Príklad pobrežnej veternej farmy s turbínami o veľkom výkone (20 x 2 MW = 400 MW) – Obrázok 14 a 15.

Obrázok 14 Pobrežná veterná farma                     Obrázok 15 Pobrežná veterná farma
Middelgrunden pozostávajúca z 20-tich 2 MW           v Middelgrundene (postavená na jeseň
Bonus turbín opatrených lopatkami LM 36,8 [7]        2000) [7]

2 AERODYNAMIKA VETERNÝCH TURBÍN

Všeobecné charakteristiky
Veterné turbíny majú niekoľko špecifických aerodynamických problémov. Prúd vzduchu je väčšinou v čase nestály, kombinovaný s účinkami posuvu vetra, turbulenciou vzduchu, nárazmi vetra, odchýlkovou nevyrovnanosťou a tienením stožiara.

Je známe, že dvojrozmerné údaje profilu sú niekedy nevhodné pre predpovedanie aerodynamických charakteristík turbín s regulovanou stratou vztlaku (poklesom rýchlosti). Zaujímavé je najmä trojrozmerné prevedenie.

Rotáciu lopatiek spomaľuje statická strata rýchlosti. Odstredivé čerpanie má za následok člen Corilisového zrýchlenia, ktorý spôsobuje priaznivé stúpanie tlaku. Výsledkom je, že hraničná vrstva rozdelenia je odsunutá [6].

Vztlak
Príčina, prečo lietadlo môže lietať je, že vzduch kĺzajúci sa pozdĺž horného povrchu krídla sa pohybuje rýchlejšie ako na spodnom povrchu – Obrázok 16.

Obrázok 16 Prúdenie vzduchu profilom krídla lietadla

To znamená, že tlak bude najnižší na hornom povrchu. To vytvárajú vztlak, t.j. silu tlačiacu nahor, ktorá umožňuje lietadlu letieť. Vztlak je kolmý k smeru vetra. Jav vztlaku je dobre známy storočia [2].

Strata rýchlosti
Čo sa stane, ak sa lietadlo rýchlo vychýli smerom dozadu pri pokuse o výstup vyššie k oblohe?
Zatiaľ čo krídlo bude vychyľované dozadu, vztlak krídla bude narastať. Všetok tento náhly prúd vzduchu zastaví vzpriečenie horného povrchu plochy krídla. Vzduch víri dookola v nerovnomernom víre (stav známy ako turbulencia). Všetok tento náhly vztlak na hornom povrchu krídla sa stráca. Tento jav je známy ako strata rýchlosti ( v ang. „stall“) – Obrázok 17.

Obrázok 17 Strata rýchlosti (= strate vztlaku)

Ak prúd vzduchu postupuje v hlavnom smere pohybu a tvar prierezu krídla sa zužuje príliš rýchlo, krídlo lietadla bude strácať rýchlosť. (Krídlo pravdaže nemení svoj tvar, ale uhol krídla vo vzťahu k celkovému smeru prúdu vzduchu (tiež známy ako uhol nábehu) sa zvyšuje).

Turbulencia sa tvorí na zadnej časti krídla vo vzťahu k prúdu vzduchu. Strata rýchlosti prúdu vzduchu môže byť vyprovokovaná ak povrch krídla lietadla – alebo lopatky rotora veternej turbíny – nie je úplne hladký a rovný. Záhyb na krídle alebo lopatke rotora, alebo kúsok samoprilnievajúcej pásky môže byť dostatočný k vzniku turbulencie v zadnej časti, aj keď uhol nábehu je celkom malý.
Konštruktéri lietadiel sa obvykle snažia celkovými nákladmi vyhnúť strate rýchlosti, pretože lietadlo bez vztlaku svojich krídiel spadne ako skala [3].

Spočítanie rýchlosti a smerov vetra (Rýchlosti vetra)
Vietor, ktorý zasahuje lopatky rotora veternej turbíny neprichádza zo smeru v ktorom vietor fúka v krajine, t.j. spredu turbíny. To je kvôli tomu, že lopatky rotora sa pohybujú.

K pochopeniu tohto, si predstavíme bicykel, ktorý je vybavený zástavkou (alebo veterným krídielkom) k udaniu smeru vetra. Ak máme úplne bezveterné počasie a bicykel sa pohybuje smerom dopredu, povedzme rýchlosťou 7 m/s, bicykel sa bude pohybovať vzduchom rýchlosťou 7 m/s. Na bicykli môžeme zmerať rýchlosť vetra tých 7 m/s vzhľadom k bicyklu. Zástavka smeruje priamo dozadu, pretože vietor prichádza priamo spredu bicykla.

Teraz predpokladáme, že bicykel sa pohybuje dopredu konštantnou rýchlosťou 7 m/s. Ak vietor fúka priamo sprava, tiež rýchlosťou 7 m/s, zástavka bude jasne ofukovaná čiastočne naľavo, pod 45° uhlom vzhľadom k bicyklu. S menším vetrom, napr. 5 m/s, vlajka bude ofukovaná naľavo menej a uhol bude nejakých 35°. Smer vetra, výsledný vietor ako je meraný z bicykla, sa mení kedykoľvek, keď sa zmení rýchlosť vetra.

Vietor fúka rýchlosťou 7 m/s spredu a 5 až 7 m/s sprava. Geometriou a trigonometriou sa dá zistiť, že rýchlosť vetra meraná na bicykli bude medzi 8,6 až 9,9 m/s [4].

Aerodynamika rotora
K pochopeniu ako sa vietor pohybuje vzhľadom k lopatkám rotora veternej turbíny, sme pripevnili červené pásky k špičke lopatiek rotora modelu veternej turbíny a žlté pásky približne k ¼ dĺžky lopatky smerom od hlavice. Necháme pásky voľne sa vznášať vo vzduchu (zahrňujeme prúdy vzduchu vytvorené samotnými lopatkami a odstredivou silou). Obrázok 18 dáva pohľad na turbínu zo strany a Obrázok 19 pohľad spredu turbíny.

Obrázok 18 Pohľad na turbínu zo strany                  Obrázok 19 Pohľad spred turbíny

Pretože väčšina veterných turbín ma konštantnú rýchlosť otáčania, rýchlosť ktorou sa špička lopatky rotora pohybuje vzduchom (rýchlosť špičky) je typicky 64 m/s, zatiaľ čo v strede hlavice je rýchlosť nulová. Vo vzdialenosti ¼ dĺžky lopatky smerom od hlavice rýchlosť bude približne 16 m/s.

Žlté pásky v blízkosti hlavice rotora budú fúkané viac smerom k zadnej časti turbíny než červené pásky pri špičkách lopatiek. To je obvykle kvôli tomu, že rýchlosť pri špičkách lopatiek je približne 8 krát vyššia ako rýchlosť vetra zasahujúca prednú časť turbíny.

Príčina zatočenia lopatiek rotora
Lopatky rotorov veľkých veterných turbín sú vždycky zatočené. Je videné z lopatky rotora, že vietor prichádza v oveľa strmšom uhle (väčšinou z hlavného smeru vetra v krajine), pohybujúc sa smerom k päte lopatky a stredu rotora.

Ako je uvedené pri strate rýchlosti, ak lopatka je zasiahnutá pri uhle nábehu, ktorý je príliš strmý, zastaví sa odovzdávanie vztlaku lopatke rotora. Preto, lopatka rotora musí byť točená, tak aby dosiahla optimálneho uhla nábehu po celej dĺžke lopatky. Avšak, v prípade riadenej straty rýchlosti (= strate vztlaku) veterných turbín je obzvlášť dôležité, že lopatka je stavaná tak, aby pri vysokých rýchlostiach vetra dochádzalo k strate rýchlosti postupne smerom od päty lopatky a smerom von [5].

Riadenie aerodynamiky
Špičkový výkon veternej turbíny môže byť riadený pridelením lopatiek pre efekt spomalenia rýchlosti (zariadenia pre reguláciu poklesu vztlaku), alebo nastavovaním sklonu (zariadenia pre riadenie uhla sklonu) k poskytnutiu najlepších prítokových uhlov. Jedným zo zrejmých rozdielov je, že pre reguláciu uhla sklonu potrebujeme prepracované automatické zariadenia. Pridelením lopatiek pre reguláciu spomalenia rýchlosti vzniká problém predpovedania dvoch nestálych zaťažení (dynamického spomaľovania rýchlosti a trojrozmerných účinkov rotácie) [6].

ZÁVER

Poznanie a správne aplikovanie zákonitostí aerodynamiky je pre správnu funkciu veternej turbíny rozhodujúce. Vzhľadom na to, že vytvorenie modelu a prevedenie skúšok veľkej veternej turbíny je náročné na čas a materiálne zabezpečenie, venujú sa výrobe veľkých turbín špecializované firmy s dlhoročnými skúsenosťami. Moderné veterné turbíny preberajú technológie známe z lietadiel a helikoptér, plus niektoré ich vlastné zdokonalené riešenia kvôli skutočnosti, že pracujú vo veľmi rozdielnom prostredí s meniacou sa rýchlosťou a smerom vetra.

	Tento článok bol vytlačený zo stránky https://referaty.centrum.sk

Princíp práce veterných turbín