Výukové programy pro alternativní zdroje energie
Konstrukce větrné turbíny pro větrnou energii
Srdcem každého systému výroby energie z obnovitelných zdrojů je větrná turbína. Konstrukce větrných turbín se obvykle skládá z rotoru, generátoru stejnosměrného proudu (DC) nebo alternátoru střídavého proudu (AC), který je namontován na věži vysoko nad zemí.
Jak jsou tedy větrné turbíny konstruovány pro výrobu elektřiny? Zjednodušeně řečeno je větrná turbína opakem domácího nebo stolního ventilátoru. Ventilátor využívá elektřinu ze sítě k otáčení a cirkulaci vzduchu, čímž vytváří vítr. Konstrukce větrných turbín naproti tomu využívá sílu větru k výrobě elektřiny. Pohyb větru roztáčí nebo otáčí lopatky turbíny, která zachycuje kinetickou energii větru a přeměňuje ji prostřednictvím hřídele na rotační pohyb, který pohání generátor a vyrábí elektřinu, jak je znázorněno na obrázku.
Typická konstrukce generátoru větrné turbíny
Výše uvedený obrázek ukazuje základní součásti, které tvoří typickou konstrukci větrné turbíny. Větrná turbína získává kinetickou energii z větru tím, že zpomaluje vítr a přenáší tuto energii do rotující hřídele, proto je důležité mít dobrou konstrukci. Dostupná energie větru, kterou je možné získat, závisí na rychlosti větru i na ploše, kterou obtékají rotující lopatky turbíny. Čím vyšší je tedy rychlost větru nebo čím větší jsou lopatky rotoru, tím více energie lze z větru získat. Můžeme tedy říci, že výroba energie větrnou turbínou závisí na interakci mezi lopatkami rotoru a větrem a právě tato interakce je pro konstrukci větrné turbíny důležitá.
Pro zlepšení této interakce, a tedy zvýšení účinnosti, jsou k dispozici dva typy konstrukce větrných turbín. Běžná konstrukce s horizontální osou a konstrukce se svislou osou. Konstrukce větrné turbíny s horizontální osou zachycuje více větru, takže její výkon je vyšší než u konstrukce větrné turbíny se svislou osou. Nevýhodou konstrukce s vodorovnou osou je, že věž potřebná k podepření větrné turbíny je mnohem vyšší a konstrukce rotorových listů musí být mnohem lepší.
Turbína se svislou osou neboli VAWT je jednodušší na konstrukci a údržbu, ale nabízí nižší výkon než typy s vodorovnou osou kvůli vysokému odporu jednoduché konstrukce rotorových listů. Většina větrných turbín, které dnes vyrábějí elektřinu buď komerčně, nebo v domácnosti, jsou stroje s vodorovnou osou, takže právě těmto typům konstrukce větrných turbín se budeme v tomto výukovém kurzu věnovat.
– Rotor – Jedná se o hlavní část moderní konstrukce větrné turbíny, která sbírá energii větru a přeměňuje ji na mechanickou energii ve formě rotace. Rotor se skládá ze dvou nebo více „rotorových listů“ z vrstveného dřeva, skleněných vláken nebo kovu a ochranného náboje, který se otáčí (odtud jeho název) kolem středové osy.
Podobně jako křídlo letadla pracují lopatky větrné turbíny tak, že díky svému zakřivenému tvaru vytvářejí vztlak. Listy rotoru odebírají část kinetické energie z pohybujících se vzdušných mas podle principu vztlaku v míře určené rychlostí větru a tvarem listů. Výsledkem je vztlaková síla kolmá na směr proudění vzduchu. Trik pak spočívá v konstrukci lopatek rotoru tak, aby vytvářely správné množství vztlaku a tahu, které produkují optimální zpomalení vzduchu, a ne více.
Lopatky rotoru turbíny bohužel nezachycují 100% veškerou sílu větru, protože by to znamenalo, že vzduch za lopatkami turbíny by byl zcela nehybný, a proto by přes lopatky neprošel žádný další vítr. Teoretická maximální účinnost, kterou mohou lopatky rotoru turbíny získat z energie větru, se pohybuje mezi 30 a 45 % a závisí na následujících proměnných lopatek rotoru: Konstrukce lopatek, počet lopatek, délka lopatek, sklon/úhel lopatek, tvar lopatek a materiál a hmotnost lopatek, abychom jmenovali alespoň některé z nich.
– Konstrukce lopatek – Konstrukce lopatek rotoru pracuje buď na principu vztlakové, nebo odporové metody získávání energie z proudících vzdušných mas. Konstrukce vztlakových lopatek využívá stejný princip, který umožňuje letadlům, drakům a ptákům létat a vytváří vztlakovou sílu, která je kolmá na směr pohybu. Lopatka rotoru je v podstatě aerodynamický list nebo křídlo podobného tvaru jako křídlo letadla. Jak lopatka protíná vzduch, vzniká mezi horním a dolním povrchem lopatky rozdíl rychlosti a tlaku větru.
Tlak na dolním povrchu je větší, a proto působí na „zvedání“ lopatky vzhůru, takže chceme, aby tato síla byla co největší. Jsou-li lopatky připevněny k centrální rotační ose, jako je rotor větrné turbíny, převádí se tento vztlak na rotační pohyb.
Proti této vztlakové síle působí odporová síla, která je rovnoběžná se směrem pohybu a způsobuje turbulence kolem odtokové hrany lopatky, když protíná vzduch. Tato turbulence má na lopatku brzdný účinek, takže chceme, aby tato odporová síla byla co nejmenší. Kombinace vztlaku a odporu způsobuje, že se rotor otáčí jako vrtule.
Vlečné konstrukce se používají spíše u vertikálních konstrukcí větrných turbín, které mají velké kalichovité nebo zakřivené lopatky. Vítr doslova vytlačuje lopatky, které jsou připevněny k centrální hřídeli. Výhodou vlečných lopatek rotoru je nižší rychlost otáčení a schopnost dosahovat vysokého točivého momentu, což je činí užitečnými pro čerpání vody a pohon zemědělských strojů. Větrné turbíny poháněné zdvihem, které mají mnohem vyšší rychlost otáčení než odporové typy, a proto jsou vhodné pro výrobu elektřiny.
– Počet listů – Počet listů rotoru, které má konstrukce větrné turbíny, je obecně určen aerodynamickou účinností a náklady. Ideální větrná turbína by měla mít mnoho tenkých rotorových listů, ale většina generátorů větrných turbín s horizontální osou má pouze jeden, dva nebo tři rotorové listy. Zvýšení počtu rotorových listů nad tři přináší jen malé zvýšení účinnosti rotoru, ale zvyšuje jeho cenu, takže více než tři listy obvykle nejsou potřeba, ale pro domácí použití jsou k dispozici malé vysokootáčkové generátory s více listy. Obecně platí, že čím menší je počet lopatek, tím méně materiálu je potřeba při výrobě, což snižuje jejich celkové náklady a složitost.
Rotory s jednou lopatkou mají protizávaží na opačné straně rotoru, ale trpí vysokým namáháním materiálu a vibracemi v důsledku jejich nerovnoměrného rotačního pohybu jedné lopatky, která se musí pohybovat rychleji, aby zachytila stejné množství energie větru. Také u rotorů s jednou nebo dokonce dvěma lopatkami prochází většina dostupného pohybu vzduchu, a tedy i větrné energie, nezasaženou plochou průřezu turbíny bez interakce s rotorem, což snižuje jejich účinnost.
Vícelisté rotory mají naproti tomu plynulejší rotační chod a nižší hladinu hluku. U vícelopatkových konstrukcí je možné dosáhnout nižších otáček a točivého momentu, což snižuje namáhání hnacího ústrojí a vede k nižším nákladům na převodovku a generátor. Konstrukce větrných turbín s mnoha lopatkami nebo velmi širokými lopatkami však budou při velmi silném větru vystaveny velmi velkým silám, což je důvod, proč většina konstrukcí větrných turbín používá tři rotorové lopatky.
– Lichý nebo sudý počet rotorových lopatek? – Konstrukce větrné turbíny, která má „sudý“ počet rotorových listů, 2, 4 nebo 6 atd., může při otáčení trpět problémy se stabilitou. Je to proto, že každá rotorová lopatka má přesnou a protilehlou lopatku, která je umístěna o 180o v opačném směru. Když se rotor otáčí, v okamžiku, kdy nejvyšší lopatka směřuje svisle vzhůru (poloha 12 hodin), směřuje nejspodnější lopatka přímo dolů před nosnou věž turbíny. Výsledkem je, že nejhořejší lopatka se ohýbá dozadu, protože na ni působí maximální síla od větru, tzv. tahové zatížení, zatímco spodní lopatka přechází do bezvětří přímo před nosnou věží.
Toto nerovnoměrné ohýbání lopatek rotoru turbíny (nejhořejší ohnutá ve větru a nejspodnější rovná) při každém vertikálním nastavení vytváří nežádoucí síly na lopatky rotoru a hřídel rotoru, protože se obě lopatky při otáčení ohýbají tam a zpět. U malé turbíny s pevnými hliníkovými nebo ocelovými lopatkami to nemusí být problém, na rozdíl od delších lopatek z plastu vyztuženého skelnými vlákny.
Konstrukce větrné turbíny, která má „ODD“ počet rotorových lopatek (alespoň tři lopatky), se otáčí plynuleji, protože gyroskopické a ohybové síly jsou rovnoměrněji vyváženy napříč lopatkami, což zvyšuje stabilitu turbíny. Nejběžnější konstrukcí větrné turbíny s lichými lopatkami je turbína se třemi lopatkami. Výkonová účinnost třílopatkového rotoru je o něco vyšší než u podobně velkého dvoulopatkového rotoru a díky další lopatce se mohou otáčet pomaleji, což snižuje opotřebení a hluk.
Aby se předešlo turbulencím a vzájemnému působení mezi sousedními lopatkami, měla by být vzdálenost mezi jednotlivými lopatkami vícelopatkové konstrukce a rychlost jejich otáčení dostatečně velká, aby se jedna lopatka nesetkala s rušeným, slabším prouděním vzduchu způsobeným tím, že předchozí lopatka prochází stejným bodem těsně před ní. Kvůli tomuto omezení má většina větrných turbín lichého typu na svém rotoru maximálně tři lopatky a obecně se otáčí nižšími otáčkami.
Všeobecně platí, že rotory turbín se třemi lopatkami lépe zapadají do krajiny, jsou estetičtější a aerodynamicky účinnější než konstrukce se dvěma lopatkami, což přispívá k tomu, že na trhu s větrnými elektrárnami převládají větrné turbíny se třemi lopatkami. I když někteří výrobci vyrábějí dvou- a šestilopatkové turbíny (pro plachetnice). Mezi další výhody lichých (třílopatkových) rotorů patří plynulejší provoz, menší hlučnost a méně nárazů ptáků, což kompenzuje nevýhodu vyšších nákladů na materiál. Hlučnost není počtem lopatek výrazně ovlivněna.
– Délka lopatek rotoru – Tři faktory určují, kolik kinetické energie může větrná turbína z větru získat: „hustota vzduchu“, „rychlost větru“ a „plocha rotoru“. Hustota vzduchu závisí na tom, jak vysoko nad mořem se nacházíte, zatímco rychlost větru se řídí počasím. Rotační plochu obtékanou listy rotoru však můžeme ovlivnit zvětšením jejich délky, protože velikost rotoru určuje množství kinetické energie, kterou je větrná turbína schopna z větru zachytit.
Listy rotoru se otáčejí kolem středového ložiska a při otáčení tvoří dokonalý kruh o 360o a jak víme ze školy, plocha kruhu je dána jako: π.r2. Jak se tedy zvětšuje obtékaná plocha rotoru, zvětšuje se se čtvercem poloměru i plocha, kterou rotor pokrývá. Zdvojnásobení délky lopatek turbíny tedy vede ke čtyřnásobnému zvětšení její plochy, což jí umožňuje získat čtyřikrát více energie větru. Tím se však výrazně zvětšují rozměry, hmotnost a v konečném důsledku i náklady na konstrukci větrné turbíny.
Jedním z důležitých aspektů délky lopatek je rychlost otáčení špičky rotoru vyplývající z úhlové rychlosti. Čím větší je délka lopatek turbíny, tím rychleji se otáčí špička rotoru při dané rychlosti větru. Stejně tak pro danou délku lopatek rotoru platí, že čím vyšší je rychlost větru, tím rychlejší je rotace špičky. Proč bychom tedy nemohli mít konstrukci větrné turbíny s velmi dlouhými lopatkami rotoru pracující ve větrném prostředí a vyrábějící spoustu elektřiny zdarma z větru. Odpověď zní, že nastává bod, kdy délka rotorových listů a rychlost větru skutečně snižují účinnost turbíny. Proto se mnoho větších konstrukcí větrných turbín otáčí při mnohem nižších rychlostech.
Účinnost je funkcí toho, jak rychle se otáčí špička rotoru při dané rychlosti větru, což vytváří konstantní poměr rychlosti větru k rychlosti špičky rotoru nazývaný „poměr rychlosti špičky“ ( λ ), což je bezrozměrná jednotka používaná k maximalizaci účinnosti rotoru. Jinými slovy, „tip-speed ratio“ (TSR) je poměr rychlosti otáčení špičky lopatek v otáčkách za minutu k rychlosti větru v mph a dobrý návrh větrné turbíny určí výkon rotoru pro jakoukoli kombinaci větru a rychlosti rotoru. Čím větší je tento poměr, tím rychleji se rotor větrné turbíny při dané rychlosti větru otáčí. Rychlost otáčení hřídele, na kterou je rotor fixován, se udává v otáčkách za minutu (rpm) a závisí na rychlosti otáčení hrotů a průměru lopatek turbíny.
Rychlost otáčení turbíny je definována jako: rpm = rychlost větru x poměr rychlosti otáčení hrotů x 60 / (průměr x π).
Pokud se rotor turbíny otáčí příliš pomalu, umožňuje příliš velkému množství větru nerušeně procházet, a proto nevyužívá tolik energie, kolik by mohl. Na druhou stranu, pokud se listy rotoru otáčejí příliš rychle, jeví se větru jako jeden velký plochý rotující kruhový disk, který vytváří velký odpor a ztráty na špičce zpomalující rotor. Proto je důležité přizpůsobit rychlost otáčení rotoru turbíny konkrétní rychlosti větru tak, aby bylo dosaženo optimální účinnosti.
Rotory turbín s menším počtem lopatek dosahují maximální účinnosti při vyšších poměrech otáček špičky a obecně mají třílopatkové konstrukce větrných turbín pro výrobu elektřiny poměr otáček špičky mezi 6 a 8, ale budou pracovat plynuleji, protože mají tři lopatky. Na druhou stranu turbíny používané pro čerpání vody mají nižší poměr otáček špičky mezi 1,5 a 2, protože jsou speciálně navrženy pro generování vysokého točivého momentu při nízkých otáčkách.
– Sklon/úhel lopatek rotoru – lopatky rotoru větrných turbín s pevnou konstrukcí nejsou obecně rovné nebo ploché jako křídla aeroplánů, ale místo toho mají malé zkroucení a zúžení po celé délce od špičky ke kořeni, což umožňuje různé rychlosti otáčení podél lopatky. Toto zkroucení umožňuje lopatce pohlcovat energii větru, když na ni vítr působí pod různými tangenciálními úhly, a ne pouze přímo. Rovný nebo plochý list rotoru přestane poskytovat vztlak a může se dokonce zastavit (stall), pokud na list rotoru dopadá vítr pod různými úhly, tzv. „úhlem náběhu“, zejména pokud je tento úhel náběhu příliš strmý.
Pro udržení optimálního úhlu náběhu, který zvyšuje vztlak a účinnost, jsou proto lopatky větrné turbíny zpravidla zkroucené po celé délce listu. Toto zkroucení v konstrukci větrné turbíny navíc zabraňuje příliš rychlému otáčení listů rotoru při vysokých rychlostech větru.
U velmi rozsáhlých konstrukcí větrných turbín používaných pro výrobu elektrické energie však může toto zkroucení listů velmi zkomplikovat a prodražit jejich konstrukci, proto se používá jiná forma aerodynamického řízení, aby byl úhel náběhu listů dokonale sladěn se směrem větru.
Aerodynamický výkon vyráběný větrnou turbínou lze řídit nastavením úhlu sklonu větrné turbíny ve vztahu k úhlu náběhu větru při otáčení každé lopatky kolem její podélné osy. Pak mohou být lopatky rotoru s regulací stoupání plošší a přímější, ale obecně mají tyto velké lopatky ve své geometrii podobné zkroucení, ale mnohem menší, aby se optimalizovalo tangenciální zatížení lopatek rotoru.
Každá lopatka rotoru má mechanismus rotačního zkroucení, buď pasivní, nebo dynamický, zabudovaný v kořeni lopatky, který vytváří rovnoměrné postupné řízení stoupání po celé její délce (konstantní zkroucení). Velikost potřebného sklonu je jen několik stupňů, protože malé změny úhlu sklonu mohou mít dramatický vliv na výkon, protože z předchozího učebního materiálu víme, že energie obsažená ve větru je úměrná krychli rychlosti větru.
Jednou z hlavních výhod regulace sklonu rotorových lopatek je zvětšení okna rychlosti větru. Kladný úhel náklonu vytváří velký počáteční točivý moment, když se rotor začne otáčet, čímž se snižuje jeho mezní rychlost větru. Stejně tak při vysokých rychlostech větru, kdy je dosaženo maximální hranice otáček rotorů, lze řídit sklon lopatek tak, aby otáčky rotorů nepřekročily svou hranici snížením jejich účinnosti a úhlu náběhu.
Regulace výkonu větrné turbíny lze dosáhnout pomocí řízení sklonu lopatek rotoru, a to buď snížením, nebo zvýšením vztlakové síly na lopatkách řízením úhlu náběhu. Menší rotorové listy toho dosahují tím, že do své konstrukce zahrnují malé zkroucení. Větší komerční větrné turbíny využívají řízení sklonu buď pasivně pomocí odstředivých pružin a pák (podobně jako rotory vrtulníků), nebo aktivně pomocí malých elektromotorů zabudovaných do náboje lopatek, které je pootočí o požadovaných několik stupňů. Hlavními nevýhodami řízení sklonu jsou spolehlivost a náklady.
– Konstrukce listů – kinetická energie získaná z větru je ovlivněna geometrií listů rotoru a je důležité určit aerodynamicky optimální tvar a konstrukci listů. Stejně důležitý jako aerodynamický návrh rotorových listů je však i konstrukční návrh. Konstrukční návrh spočívá ve výběru materiálu lopatek a jejich pevnosti, protože lopatky se při rotaci ohýbají a ohýbají vlivem energie větru.
Je zřejmé, že ideální konstrukční materiál pro rotorovou lopatku by kombinoval potřebné konstrukční vlastnosti, tj. vysoký poměr pevnosti k hmotnosti, vysokou únavovou životnost, tuhost, vlastní frekvenci vibrací a odolnost proti únavě spolu s nízkou cenou a možností snadného tvarování do požadovaného tvaru aerodynamického listu.
Lopatky rotoru menších turbín používaných v obytných aplikacích, jejichž velikost se pohybuje od 100 wattů výše, jsou obvykle vyrobeny z masivního vyřezávaného dřeva, dřevěných laminátů nebo dřevěných dýhových kompozitů a také z hliníku nebo oceli. Dřevěné rotorové listy jsou pevné, lehké, levné, pružné a oblíbené u většiny kutilských návrhů větrných turbín, protože je lze snadno vyrobit. Nízká pevnost dřevěných laminátů ve srovnání s jinými dřevěnými materiály je však činí nevhodnými pro lopatky se štíhlou konstrukcí pracující při vysokých otáčkách špičky.
Hliníkové lopatky jsou rovněž lehké, pevné a snadno se s nimi pracuje, jsou však dražší, snadno se ohýbají a trpí únavou kovu. Stejně tak ocelové lopatky používají nejlevnější materiál a lze je tvarovat a tvarovat do zakřivených panelů podle požadovaného profilu aerodynamického krytu. Do ocelových panelů je však mnohem obtížnější zavést zkrut a spolu se špatnými únavovými vlastnostmi, což znamená, že rezaví, to znamená, že se ocel používá jen zřídka.
Lopatky rotoru používané pro konstrukci velmi velkých větrných turbín s horizontální osou se vyrábějí z vyztužených plastových kompozitů, přičemž nejběžnější kompozity se skládají ze skelných vláken/polyesterové pryskyřice, skelných vláken/epoxidu, skelných vláken/polyesteru a kompozitů z uhlíkových vláken. Kompozity ze skelných a uhlíkových vláken mají ve srovnání s ostatními materiály podstatně vyšší poměr pevnosti v tlaku k hmotnosti. Skelná vlákna jsou také lehká, pevná, levná, mají dobré únavové vlastnosti a lze je použít v různých výrobních procesech.
Velikost, typ a konstrukce větrné turbíny, kterou můžete potřebovat, závisí na konkrétním použití a požadavcích na výkon. Konstrukce malých větrných turbín se pohybují v rozmezí od 20 wattů do 50 kilowattů (kW), přičemž menší nebo „mikro“ (20 až 500wattové) turbíny lze použít v obytných lokalitách pro různé aplikace, jako je výroba elektrické energie pro nabíjení baterií a napájení světel.
Větrná energie patří mezi nejrychleji rostoucí zdroje obnovitelné energie na světě, protože se jedná o čistý, široce rozšířený zdroj energie, který je hojný, má nulové náklady na palivo a technologii výroby energie bez emisí. Většina moderních větrných turbogenerátorů, které jsou dnes k dispozici, je určena k instalaci a použití v instalacích obytného typu.
V důsledku toho jsou vyráběny menší a lehčí, což umožňuje jejich rychlou a snadnou montáž přímo na střechu nebo na krátký sloup či věž. Instalace novějšího turbogenerátoru jako součásti domácího systému větrné elektrárny vám umožní snížit většinu vyšších nákladů na údržbu a instalaci vyššího a dražšího stožáru turbíny, jak tomu bylo dříve.
V dalším kurzu o větrné energii se budeme zabývat provozem a konstrukcí větrných turbogenerátorů používaných k výrobě elektřiny jako součást domácího systému větrné elektrárny.