ÚVOD

Cieľom tejto práce je priblížiť aktuálny stav technológie využívajúcej energiu vetra. Zaoberá sa základným rozdelením a popisom veterných elektrární a možnosťami využitia súčasného pokroku pri realizácii elektrární s vyššou účinnosťou a prevádzkovou spoľahlivosťou. Dnešné zariadenia sú projektované na vyššie výkony, s automatickou reguláciou natáčania a otáčok lopatiek turbíny.

STRUČNÝ POPIS A ROZDELENIE VETERNÝCH ELEKTRÁRNÍ

Veterné turbíny pracujú, pretože spomaľujú rýchlosť vetra. Prúd vetra prúdiaci cez profilovo tvarované lopatky zapríčiňuje vztlak, podobný účinku na krídlach lietadla, zapríčiňujúci ich otáčanie. Lopatky sú pripojené k hnaciemu hriadeľu, ktorý otáča elektrickým generátorom a vyrába elektrinu – Obrázok 1.

Obrázok 1 Prierez veterným agregátom [3]
Dnešné veterné zariadenia sú technologicky pokrokovejšie ako prvé veterné elektrárne. Stále používajú lopatky k zadržiavaniu kinetickej energie vetra. Lopatky sú vyrobené zo sklenej vaty alebo ďalších vysoko pevných materiálov.

Moderné veterné zariadenia stále zápasia s problémom, čo robiť keď je nedostatok vetra. Veľké turbíny sú pripojené do verejnej energetickej siete a niektoré typy generátorov vyzdvihujú zaťaženie, keď nie je dostatok vetra. Malé turbíny sú niekedy spájané k dieselovým/elektrickým generátorom alebo majú batériu k uskladneniu energie, ktorú zachytia, keď vietor fúka silno.

Dnes sú bežne používané dva typy veterných zariadení – Obrázok 2, s horizontálnou osou s lopatkami podobnými vrtuliam lietadla - Obrázok 3 a s vertikálnou osou, ktoré vyzerajú ako šľahač – Obrázok 4.

Veterné zariadenia s horizontálnou osou sú bežnejšie, pretože používajú menej materiálu na jednotku vyrobenej elektriny. Okolo 95 percent všetkých veterných zariadení sú zariadenia s horizontálnou osou. Typické horizontálne veterné zriadenie je vysoké ako 20-poschodová budova a má tri lopatky, ktorých priečne rozpätie je 60 m. Najväčšie veterné zariadenia na svete majú lopatky dlhšie než futbalové ihrisko. Veterné zariadenia sú postavené vysoko, rozostavené rozľahlo k zachyteniu väčšieho množstva vetra.

Veterné zariadenia s vertikálnou osou tvoria iba päť percent veterných zariadení dneška. Typické vertikálne veterné zariadenie je vysoké 30 m a široké 15 metrov.

Obrázok 2 Schéma turbíny s horizontálnou osou a turbíny s vertikálnou osou [3]
Obrázok 3 Turbíny s horizontálnou osou [3] Obrázok 4 Turbína s vertikálnou osou [3]

Každé veterné zariadenie má svoje výhody a nevýhody. Zariadenia s horizontálnou osou potrebujú spôsobu k udržaniu rotora smerom k vetru. Toto je vykonávané zadnou časťou u malých zariadení. Na veľkých turbínach, rotor je buď umiestnený v závetrí veže, čo sa prejavuje ako veterný stabilizátor, alebo je použitý hnací motor. Zariadenia s vertikálnou osou môžu prijať vietor z akéhokoľvek smeru.
Obidva typy rotorov turbíny sa otáčajú pôsobením vetra prúdiacim ponad krídlovo tvarované lopatky. Lopatky s vertikálnou osou strácajú energiu, keď sa zatáčajú mimo smer vetra, zatiaľ čo lopatky s horizontálnou osou pracujú po celý čas. Z množstva polôh, vietor vzrastá smerom vyššie ponad povrch zeme, čo dáva výhodu vysokým turbínam s horizontálnou osou. Malý stožiar a generátor pripevnený pri zemi na turbínach s vertikálnou osou ich robí lacnejšími a ľahšie udržateľnými [1].

Analýza lopatiek rotora veternej turbíny

Trojrozmerné meranie a analýza lopatiek rotora a ich výrobné možnosti sú veľmi zložitými a náročnými meracími úlohami. Povaha a rozsah platnosti predstavuje celkom nový rozmer v tomto odvetví priemyslu. Preto takáto úloha môže byť zvládnutá iba použitím veľmi moderných meracích systémov a správne pripravenej stratégie merania.

Prísne požiadavky na zvýšenie účinnosti veterných elektrární

Ďalší vývoj veterných elektrární a ich súčastí s cieľom zvýšenia užitočnej energie je veľmi dynamický proces. Jedným z podstatných faktorov je optimalizácia lopatiek rotora, faktor, ktorý má základný vplyv na funkčnosť a efektívnosť zariadení. V súčasnosti je dosiahnutá dĺžka lopatky rotora 38 m – Obrázok 5. V budúcnosti plánovaných elektrárňach budú zavádzané dĺžky lopatiek približne 80 m. Tieto zvyšujú požiadavky pre hromadnú výrobu lopatiek rotorov, ktoré sú navrhované na základe aerodynamických princípov, presné k detailom, vyžadujúce systém zabezpečenia kvality, ktorého výkonnosť a účinnosť musia byť nastavované nepretržite [2].

Obrázok 5 Výroba lopatky turbíny vo firme NOI-Rotortechnik GmbH [2]

Veterná energia je najlacnejšia

Veterná energia je lacnejšia v porovnaní s tradičnými elektrárňami. Nové prepočty ukazujú, že také náklady ako poškodenie zdravia a životného prostredia majúce vzťah k energii vetra sú podstatne menšie v porovnaní s tradičnými elektrárňami.
Každá kWh vyrábaná z uhlia alebo plynu v skutočnosti stojí asi 1,17 Sk viac ako ukazuje aktuálna cena spotrebovanej energie [5].

Energetická rovnováha moderných veterných turbín

Energetická rovnováha je pomer medzi množstvom energie využívaným pre výrobu, prevádzku, údržbu, opravy a vyradenie veternej turbíny a energie, ktorú získame počas jej životnosti. Moderné veterné turbíny majú navrhovanú životnosť 20 rokov.

Príkladom je moderná 600 kW veterná turbína. Každoročné náklady na prevádzku a údržbu turbíny sú na úrovni 1,5 – 2,5% z ceny turbíny. Odôvodnene sa javí, že väčšie turbíny predpokladajú nižšie náklady na údržbu na 1 kW inštalovaného výkonu. Základnou príčinou zníženia nákladov je, že niektoré náklady a zodpovedajúce využitie energie sa javí pomerne nezávislé na veľkosti zariadenia ale závislé sú.

Veterné turbíny môžu byť často upravené k výrobe dlhšej ako je navrhovaná životnosť. Tohto sa dosahuje generálnou opravou, výmenou prevodovej skrine alebo ďalších hlavných súčastí, napr. generátora. Naviac existuje v rozvojových krajinách trh pre použité turbíny. Avšak predpokladáme, že veterná turbína má životnosť 20 rokov, čo zodpovedá navrhovanej životnosti a že základ nie je znova použitý pre ďalšiu veternú turbínu. Energetická rovnováha môže byť preto mierne lepšia ako je udávané. V spojení s vyradením turbíny predpokladáme, že všetky súčiastky s výnimkou transformátora sú zničené a že materiál nie je znova použitý ale iba recyklovaný v rozsahu, ktorý je ekonomický.

Väčšina veterných turbín veľkosti 600 kW má lopatky rotora zo sklenených vlákien spevnených polyesterom alebo epoxidom. Stožiare sú zvyčajne trubicovité oceľové stĺpy. Základy sú vystužené betónom.
Ročný elektrický výkon 600 kW veternej turbíny je rovný v 1,130 – 1,393 GWh v závislosti od spôsobu vyhodnotenia. Ročná výroba elektriny je uvedená v Tabuľke 1 a 2. Spotreba energie prepočítaná na kWh elektriny (čistá spotreba energie) je uvedená v Grafe 1.

Tabuľky 1 a 2 tiež udávajú aké množstvo spotrebovanej energie (použitie primárneho paliva) je požadované v tradičných elektrárňach k výrobe rovnakého množstva elektriny ako vyprodukuje veterná turbína za jeden rok.
Tabuľka 1 Energetická rovnováha pre 600 kW veternú turbínu nepočítajúca jej vyradenie [4]
Tabuľka 2 Energetická rovnováha pre 600 kW veternú turbínu počítajúca jej vyradenie [4]

Graf 1 Spotreba energie prepočítaná na kWh elektriny (čistá spotreba energie) [4]
Vysvetlenie: Scrapping, recovery = energia z vyradenia, regenerácie; Scrapping, use = energia využitá z vyradenia; Maintenance = údržba; Installation = inštalácia; Manufacture = výroba
Stanovuje sa, že straty v rozvodovej sieti sú pre veterné turbíny približne o 2 % nižšie ako pre centrálnu elektráreň. Pre centrálnu elektráreň sú strany v rozvodnej sieti 6 až 9 %.

Veterná turbína vyrobí množstvo energie, ktoré prevýši niekedy až 80 krát energiu potrebnú k jej výrobe, inštalovaniu, prevádzke, údržbe a k vyradeniu.
Ročná výroba elektriny z veternej turbíny je približne úmerná energetickej kapacite vetra. Mení sa s treťou mocninou priemernej rýchlosti vetra v danom mieste.
Napríklad na Ostrovoch Cap Verde, v Južnej Argentíne alebo Južnej Číne, rýchlosť vetra je v priemere o 30 až 50 % vyššia ako hodnoty v Dánsku.
V týchto oblastiach veterné turbíny môžu vrátiť energiu spotrebovanú na svoju výrobu a prevádzku za jeden mesiac. Alternatívy k veternej energii v týchto oblastiach sú tradične dieselový generátor alebo tepelné uhoľné elektrárne s ďaleko nižšou účinnosťou [4].

PERSPEKTÍVNE ZARIADENIA

Veterné miešadlo

S lopatkou turbíny, ktorá má v priemere 44 m, Vestas V44-600 je najväčšou veternou turbínou v prevádzke – Obrázok 6 a 7. Stožiar turbíny je vysoký 49 metrov a je umiestnený západne od mesta Traverse City, Michigan. Poskytuje energiu asi pre 200 miestnych odberateľov. Tí, ktorí k podpore projektu odoberajú všetku elektrinu z veternej elektrárne, platia asi o 20 % viac než ostatní spotrebitelia. Turbína bola postavená v Dánsku. Konce lopatiek sa naklápajú k zachyteniu čo najväčšej energie vetra. Rýchlosť rotora a generátora sa môže mierne meniť k vyrovnávaniu kolísania výkonu. Pri priemernej rýchlosti vetra 22,5 až 24 km/h, ročná výroba elektriny z veternej turbíny je odhadovaná medzi 1,1 a 1,2 milióna kWh.

Obrázok 6 Veterná turbína Obrázok 7 Veterná turbína
v Traverse City, Michigan [6] v Traverse City, Michigan [6]

Zariadenie Warp

Odlišný druh systému k premene veternej energie na elektrinu je navrhnutý v Konektitate. Tzv. Enecova platforma veterného rotorového zosilňovača (WARP) nepoužíva veľké lopatky; zariadenie je podobné hromade vencov kolesa – Obrázok 8. Každý modul má dvojicu malých, vysoko výkonných turbín pripevnených k obom vydutým plochám kanála veterného modulu zosilovača. Vyduté povrchy kanála fúkajú smerom k turbínam, zosilňujúc rýchlosti vetra 50 % a viac. Eneco, plánuje obchodovať s touto technológiou na zahraničných platformách ropných zdrojov energie a bezdrôtových telekomunikačných systémoch. V budúcnosti by však riešenie Eneco mohlo byť používané technickým vybavením pre väčšiu výrobu energie. Obrovské WARP polia by mohli byť stavané so stožiarmi vysokými desiatky metrov, každý vyrábajúci megawatty elektriny. Turbíny by dokonca mohli byť začlenené do budov poskytujúc tak energiu pre užívateľov [1].

Obrázok 8 Stožiar – WARPTM prevádzkovaný v trvalom zaťažení s palivovými bunkami alebo turbínami s plynným vodíkovým palivom [7].
Hydrogen Fueled Gas Turbine = turbína s plynným vodíkovým palivom, Hydrogen Storage = uskladnenie vodíka, Fuel Cell/Electrolysis Unit = palivová bunka/zariadenie elektrolýzy, Electric Cable to Land = elektrický kábel k pevnine, Tension Leg Mooring shown = zobrazenie ukotvenia plávajúcej plošiny

ZÁVER

V súčasnosti existuje viacero typov zariadení využívajúcich energiu vetra k výrobe elektrickej energie. Mnohé z nich prechádzajú dlhoročným vývojom s neustálym vylepšovaním regulácie prevádzky, pevnosti a životnosti materiálov, systémom jednoduchej montáže a ďalších. Vzhľadom na to, že sú často rozptýlené na veľkej ploche, je potrebné navrhovať spoľahlivé a ľahko opraviteľné zariadenia. Súčasný vývoj v oblasti veterných turbín smeruje k zväčšovaniu výkonu turbíny a z toho vyplývajúcej veľkosti daného zariadenia.

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

Zhodnotenie súčasného stavu veterných elektrární