Postupný zánik zdrojů fosilních paliv nutí vědce vymýšlet jiné způsoby získávání energie. Přestože se větrná energie začala využívat již před více než 5000 lety, větrné elektrárny si tam již dávno nezískaly oblibu. Každý ví, jak dnes lidé využívají vítr – větrné elektrárny, vzduchové mlýny, závěsné létání a mnoho dalšího.
Větrná energie je rostoucí odvětví, které se specializuje na studium a využití větrné energie v každodenním životě. Je považován za jeden z nejslibnějších sektorů výroby alternativní energie.
Každým rokem se výstavba větrných elektráren zvyšuje, stále více zemí investuje do vývoje a výzkumu aplikací větrné energie. Snad v blízké budoucnosti lidem energii plně poskytnou alternativní ekologické zdroje.
Historie větrné energie
Historie využívání větrné energie člověkem sahá daleko do minulosti, kdy lidé neměli ani ponětí o fyzikálních zákonech. Ve starověkém Egyptě se větrná energie používala k mletí mouky v mlýně, v Číně se voda čerpala z rýžových polí pomocí zařízení s lopatkami. Námořníci začali používat plachty, když zjistili, že s pomocí větru mohou loď ovládat efektivněji a rychleji se dostat na správné místo.
Princip činnosti větrné elektrárny
Větrné elektrárny jsou několik větrných turbín propojených do jedné sítě. Velké stanice mohou zahrnovat více než 100 větrných generátorů. Taková místa se nazývají „větrné parky“. Větrné turbíny jsou ekologickým způsobem, jak neomezeně vyrábět energii.
Efektivními místy pro instalaci větrných elektráren jsou oblasti se stálým prouděním větru – kopcovité oblasti, hory, pobřežní oblasti moří a oceánů. Podle umístění se rozlišují následující typy:
- zem;
- pobřežní;
- plovoucí;
- offshore.
Podle typu konstrukce můžeme rozlišit:
Lopatkové větrné elektrárny jsou nejúčinnější a široce používané. Jsou schopny produkovat dostatečné množství energie. Na vysoký stožár je nejčastěji instalován třílistý mechanismus s vodorovnou osou otáčení. Síla otáčení závisí na velikosti lopatek. Maximální rychlosti otáčení je dosaženo v okamžiku, kdy je proudění větru kolmé na lopatky. Protože proudění větru periodicky mění směr, je zde automatická řídicí jednotka
Rotační elektrárny mají vertikální osu rotace. Výhodou tohoto typu je, že nevydávají hluk, účinnost provozu nezávisí na směru proudění větru, stanice tedy nevyžaduje další řídicí jednotky. Ale ve srovnání s elektrárnami s oběžným kolem jsou méně účinné.
Princip fungování každé větrné elektrárny je stejný. Proudění větru roztáčí rotor s lopatkami, které jsou připojeny ke generátoru. Čím větší lopatky, tím větší průtok zachytí a rotují vyšší rychlostí. Čím rychleji se lopatky točí, tím více energie vzniká. Generátor přeměňuje pohyb na energii a dodává ji do baterií. Výstupem je využitelná energie.
Globální distribuce větru
Pro správný výpočet místa instalace větrné elektrárny je třeba vzít v úvahu mnoho faktorů. Za regiony s vysokým potenciálem se považují místa, kde je průměrná rychlost větru cca 9 m/s. Mezi taková místa patří Latinská Amerika, Grónsko, západní a severní části Evropy, střední Asie a střední Severní Amerika.
Hodnocení větrných zdrojů je složitý proces. Hlavní faktory, kterým je třeba věnovat pozornost:
- jaké větry panují;
- reliéf a nadmořská výška oblasti;
- přítomnost nádrží, vegetace a různých budov.
Většina pozemků není pro umístění takových stanic vhodná. Startovací rychlost pro výrobu elektřiny je 4 m/s. Optimální rychlost je asi 10 m/s.
Jak moře nebo oceán ovlivňuje množství proudu produkovaného větrným generátorem?
Pro efektivní provoz větrného mlýna je důležitá nejen síla větru, ale také jeho stálé proudění. Všichni víme, že vítr je proudění vzduchu na povrchu Země. Tyto toky se tvoří v důsledku pohybu vzduchu z oblasti nižšího tlaku do vyšší. Vzhledem k tomu, že se země zahřívá rychleji než povrch vody, umístění větrných turbín v blízkosti moří a oceánů vytváří vhodnou generaci větru – větrné proudy se zde vždy tvoří. Kromě těch obvyklých se zde objevují i bouřkové větry dosahující rychlosti 20 m/s.
Provedený výzkum potvrzuje, že budováním větrných parků v mořích a oceánech by energie generovaná větrnými turbínami mohla zajistit všechny potřeby lidstva. Navíc rychlost větru v oceánu je přibližně o 70 % vyšší než na souši. Přestože je nápad zajímavý, jeho realizace je složitá a vyžaduje velké investice.
Typy větrných turbín
Větrné generátory jsou zařízení, která přeměňují kinetickou energii vytvořenou prouděním větru na mechanickou a poté na elektrickou.
Všechny větrné generátory lze rozdělit na vertikální a horizontální. Své jméno mají podle umístění osy otáčení:
Vertikální nebo „kolotočové“ větrné turbíny
Tento typ větrného mlýna má mechanismus se svislou osou otáčení. Představuje:
- hlavní rotor, který přijímá proud vzduchu;
- převodovka;
- generátor;
- dobíjecí baterie;
- střídač.
Takové větrné mlýny jsou tiché a mohou být instalovány v blízkosti obytné budovy, jejich provoz nezávisí na směru větru – jsou schopny zachytit proudění vzduchu z jakéhokoli úhlu, práce začínají s minimální silou proudění větru.
Horizontální
Osa rotoru se otáčí rovnoběžně se zemí. Větrné generátory tohoto typu mají pouze jednu lopatku. Dělí se na jednočepelové, dvoučepelové, tříčepelové a vícečepelové. Pro provoz horizontálních větrných generátorů je nutný správný směr větru, proto je myšleno automatické nastavení.
Výhodou takových instalací je větší provozní efektivita. Oproti vertikálním jsou lehčí a menších rozměrů.
Jak funguje větrná elektrárna
Moderní větrné elektrárny mají 3 lopatky, jejichž délka může dosáhnout 55 metrů.
Abyste pochopili, jak stanice funguje, musíte vědět, jak funguje:
- Větrný generátor. Jeho hlavním úkolem je přeměnit energii na elektřinu. Skládá se z vrtule a alternátoru.
- Ovladač. Převádí střídavý proud na stejnosměrný a reguluje rychlost větrného generátoru.
- Baterie ukládají energii, když je větrný mlýn v chodu.
- Střídač převádí stejnosměrný proud na domácí proud, který je dodáván do domu k použití.
Vlastnosti větrných generátorů pro domácnost
Vzhledem k tomu, že větrná energie je nevyčerpatelný zdroj, mnoho lidí přemýšlí o instalaci větrné turbíny doma. Dříve se větrné generátory využívaly spíše v průmyslovém sektoru. S rozvojem této technologie se ale objevily i modely pro domácnost.
Nejčastěji se používají v místech, kde není centralizovaná elektrická síť. Moderní instalace s 3-5 generátory dokážou dům plně zásobit energií. Před nákupem větrných mlýnů se však vyplatí prostudovat, jak efektivně budou v konkrétní oblasti fungovat.
Dávejte pozor! Na trhu se můžete setkat s větrnou naftovou elektrárnou (WDP), která je kombinací větrné elektrické instalace a dieselagregátu. Kromě elektřiny umí VDES vyrábět i teplo, což umožňuje nepřetržitou dodávku energie do domu.
Výkon průmyslových stanic
Větrná energie jako průmysl spoléhá na použití výkonných průmyslových větrných turbín, které mohou poskytovat energii ve velkém měřítku. Všechny větrné generátory mají podobný design:
- podpůrná věž nebo stožár;
- gondola
- turbínový generátor.
Rozměry takových stanic mohou dosahovat výšky až 190 metrů a vážit až 6000 tun. Jedna z největších jednotek na světě, Enercon E-126, má rozpětí lopatek 128 metrů.
Výpočet větrného generátoru s lopatkami
Výkon zařízení lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:
P – návrhový výkon, kW;
r – vzdálenost od středu rotoru ke konci listu, m;
v – průměrná rychlost, m/s;
V designu je velmi důležitá velikost čepele, tvar a materiál, ze kterého je vyrobena.
Výpočet multiplikátoru
Nejvýkonnější rotor dokáže vyvinout asi 400 otáček za minutu, ale pro efektivní provoz musí být počet otáček 2,5krát vyšší. Za tímto účelem jsou instalovány multiplikátory – mezičlánky mezi rotorem a generátorem, což zvyšuje rychlost hřídele. Pro zajištění efektivního provozu generátoru potřebujete multiplikátor s velkým faktorem zvýšení.
Stožár
Stožár je jedním z nejdůležitějších konstrukčních prvků větrného generátoru. Výška stožáru závisí na místě instalace. Základní pravidla instalace:
- Stožár větrného generátoru by neměl být umístěn blíže než 150 metrů od výsadeb a obytných budov, nejlépe ve vzdálenosti 2,5 kilometru.
- Spodní hrana čepele by neměla být níže než 10 metrů od vrcholu stromů.
Aby mohly větrné generátory pracovat na plný výkon, minimální instalační výška začíná na 25 metrech. Nejčastěji je výška stožáru 70-110 metrů
Podle typu podpory existují:
- na strie;
- kuželovitý;
- svařované;
- hydraulické.
Stožár je instalován na základ, na kterém závisí spolehlivost konstrukce. Nejprve vykopejte jámu a položte drcený kámen a písek ve vrstvách. Po zhutnění je základna stožáru instalována a vyplněna betonem. Po nalití základ potřebuje čas na usazení po dobu 4-5 týdnů. Teprve poté pokračují práce na instalaci stožáru.
Vertikální větrné generátory mají jiný design. Nevyžadují vysoké podpěry a stožár je skládací konstrukce vysoká až 6 metrů, která se montuje na střechu budov.
Výpočet větrné energie
Větrná energie je kinetická energie proudění vzduchu. Tento ukazatel se měří v joulech. Lze jej vypočítat pomocí následujícího vzorce:
P = r · V3 · S/2, kde r je ukazatel hustoty vzduchu (1,225 kg/m3), V je hodnota odrážející rychlost, kterou se proudění pohybuje (m/s), S je plocha proudění (m2) .
Při výpočtu je důležité vzít v úvahu ztráty a účinnost generátoru.
Chcete-li získat přesné výsledky, musíte znát indikátory terénu. Kde má být větrný generátor instalován?
Falešné teorie
Nejčastější mýty o větrné energii:
- Větrné mlýny zabíjejí ptáky. Je těžké popřít, že ptáci někdy narazí do lopatek nebo stožáru větrné turbíny a zemřou. Ale stejně mnoho ptáků je zabito elektrickými dráty. Podle statistik většina ptáků umírá kvůli útokům koček.
- Nejběžnější falešnou teorií je, že hluk z větrného generátoru může negativně ovlivnit lidské zdraví, včetně komplikací se sluchovými orgány.
- Není to zdroj šetrný k životnímu prostředí, protože nárůst počtu větrných elektráren zvyšuje emise oxidu uhličitého. Ano, ale ve srovnání s uhelnými nebo plynovými elektrárnami je toto číslo 50krát nižší.
- Nezaměstnanost. Existuje názor, že generování energie tímto způsobem odstraní pracovní místa, ale tento mýtus lze snadno vyvrátit. Nezaměstnanost nemůže vzniknout v žádném rozvíjejícím se sektoru, protože větrná energetika vždy potřebuje nové pracovníky – výzkumníky, vývojáře.
Nepravdivé teorie se objevují kvůli neznalosti tématu, ale všechny se dají snadno vyvrátit, což se již mnohokrát stalo.
Výhody a nevýhody větrných elektráren
Výhody instalace větrných elektráren:
- Šetrnost k životnímu prostředí. Dnes tento faktor hraje velkou roli. A výroba energie pomocí větrných turbín je metoda šetrná k životnímu prostředí, která nijak neovlivňuje okolní přírodu.
- Hospodárný. Ve srovnání s jinými zdroji energie je výstavba větrných elektráren mnohem ekonomičtější.
- Nekonečný zdroj energie.
- Provozní efektivita – elektrárna vyrobí 80x více energie, než spotřebuje.
- Umístění. Větrná turbína může být umístěna kdekoli, na rozdíl od tradičních stanic.
- Moderní větrné turbíny mohou pracovat rychlostí 3,5 m/s.
- Technologický vývoj.
- Provoz větrné turbíny závisí na síle proudění větru, která nemusí existovat.
- Změna krajiny oblasti kvůli výstavbě větrných parků.
- Náklady na vyhledávání a studium oblasti pro větrné turbíny a jejich stavbu.
- Turbíny rostlin vytvářejí nízkofrekvenční hluk, který má negativní dopad na člověka.
- Představuje nebezpečí pro ptáky.
- Méně produktivní ve srovnání s jinými stanicemi.
Větrná energie má své příznivce, kteří věří, že využívání větrných generátorů je ekologicky šetrným způsobem řešení energetického problému. Najdou se ale i lidé, kteří se stavbě větrných parků brání, protože škodí lidskému zdraví a ptactvu. Nevýhody větrné energie nejsou srovnatelné s velkým potenciálem, který se v tomto odvětví skrývá.
Větrná energie jako hrozba pro divokou zvěř
Zastánci ptáků jsou proti stavbě větrných turbín, protože ptáci často narážejí do lopatek větrných turbín. Ačkoli výpočty ukázaly, že počet ptáků zabitých generátorem není větší než pomocí vysokonapěťových drátů. Ochránci zvířat se však obávají, že během migrace ptáků může skončit v areálu větrného parku nebo změnit migrační trasu.
Další obavou obránců je, že hluk, který generátory vydávají, může vyděsit zvířata a změnit jejich stanoviště.
Větrná energie jako potenciální onkogen
„Syndrom větrných generátorů“ je klinický název pro příznaky lidí, kteří žijí v blízkosti větrných turbín. Hlavními příznaky jsou únava, nespavost, podrážděnost, bolesti hlavy, tinitus, problémy s koncentrací. Všechny tyto příznaky se mohou objevit díky tomu, že při provozu generátoru vzniká nízkofrekvenční hluk, který náš sluch nevnímá, ale naše tělo reaguje.
Tento syndrom není oficiálně uznán a někteří jej považují za klasický případ nocebo efektu. To znamená, že reakce těla není způsobena činností generátoru, ale negativními informacemi o něm.
Větrná energie v Rusku
V současné době Rusko využívá takový zdroj, jako je vítr, velmi špatně. Vláda neposkytuje dostatečné dotace na výzkum a nákup staveb.
Největší větrná elektrárna v Rusku byla spuštěna v roce 2020 na území Stavropol. Provozní výkon každé z 84 instalací je 2,5 MW.
Podíl větrné energie na celkovém energetickém systému země je zanedbatelný a s největší pravděpodobností se v blízké budoucnosti nezmění. Za poslední rok vyrobily větrné turbíny méně než 1 % celkové spotřebované energie. Je to dáno tím, že v zemi byly vyvinuty jiné způsoby výroby energie. Musíme však pamatovat na to, že větrná energie je nevyčerpatelná a nemůžeme odmítnout alternativní a rychle rostoucí průmysl.
Větrná energie ve světě
Větrná energie je alternativním zdrojem energie a mnoho zemí ji využívá. Studium větrné energie se v posledních desetiletích stalo populárním a rychle rostoucím oborem. V loňském roce bylo instalováno 93 GW nových instalací.
Mezi přední země, kde je tomu věnována velká pozornost, patří USA, Kanada, Velká Británie, Dánsko, Německo a Čína.
Je třeba poznamenat! Větrná energie lidé využívají stále častěji, například podíl přijaté energie v Dánsku je 28 % z celé energetiky, v Číně je to 36 %.
Výhled rozvoje větrné energetiky zůstává pozitivní a v blízké budoucnosti bude počet zemí, které zavedou alternativní způsob výroby energie, jen narůstat.
vyhlídky
Vezmeme-li v úvahu, že je nyní kladen důraz na přírodní ekologické metody získávání energie, pak bude mít větrná energetika v příštích letech pozitivní vyhlídky na vývoj. Neustále se vyvíjejí nové a vylepšené modely větrných turbín. Jedním z nejnovějších vylepšení jsou plovoucí generátory, které dokážou využít maximální sílu větru.
Stále více zemí světa věnuje pozornost větrné energii a začíná ve vhodných oblastech stavět vlastní větrné turbíny. Větrná energie je považována za jedno z nejslibnějších odvětví alternativní energie.
Častěji poptávané jsou soukromé větrné generátory, které mohou zásobovat energií část domu nebo celý dům. Tradiční zdroje energie se mohou brzy vyčerpat a také způsobit nenapravitelné škody na životním prostředí. Mnoho lidí věří, že větrná energie, stejně jako alternativní způsoby výroby energie šetrné k životnímu prostředí, jsou budoucností.
