Vetrna energija je ena najpomembnejših obnovljivih virov energije na svetu. Vse bolj se uporablja zaradi svoje sposobnosti ustvarjanja čiste energije brez proizvajanja toplogrednih plinov. Zato je bistvenega pomena poznavanje njenega delovanja in še posebej delovanja vetrnih turbin. Tukaj bomo podrobno opisali, kako delujejo in njihove ključne značilnosti.
Vetrna elektrarna, znana tudi kot vetrnica, je eden temeljnih elementov te vrste energije. Čeprav imajo na splošno vse turbine podobne vidike, obstajajo različne vrste glede na vetrno elektrarno ali namestitev. Poleg tega so se turbine od svojih prvih modelov razvile in nam omogočajo pridobivanje energije na vse bolj učinkovit način.
V tem članku vam bomo povedali vse, kar morate vedeti o vetrnih turbinah, njihovih značilnostih in delovanju ter dodatne podrobnosti o strukturi vetrnih elektrarn.
Kaj je vetrna turbina
Vetrna turbina je mehanska naprava, ki pretvarja energijo vetra v električno energijo. Namenjen je pretvarjanju kinetične energije vetra v mehansko energijo z gibanjem lopatic rotorja, ki se nato s pomočjo generatorja pretvori v električno energijo.
Osnovno načelo delovanja vetrne turbine temelji na treh temeljnih zakonih fizike:
- Energija, ki jo proizvede turbina, je sorazmerna s kvadratom hitrosti vetra. Če se hitrost vetra podvoji, se proizvedena moč štirikrat poveča.
- Razpoložljiva energija je sorazmerna s površino, ki jo pometejo rezila, kar pomeni, da večja kot so rezila, večja je količina zajete energije.
- Največji teoretični izkoristek vetrne turbine je 59 %, znan kot Betzova meja.
Za razliko od starih mlinov na veter, ki jih je poganjal neposredni sunek vetra, sodobne turbine uporabljajo bolj zapletene aerodinamične principe, kot je Venturijev učinek, da zajamejo čim več energije.
Notranjost vetrnih generatorjev
V notranjosti vetrne turbine najdemo več ključnih elementov, ki omogočajo pretvorbo kinetične energije vetra v električno. Rotor, sestavljen iz lopatic, je odgovoren za zajemanje energije vetra in njeno vrtenje okoli svoje osi.
To rotacijsko gibanje se prenaša na električni generator prek sistema pogonskega sklopa, ki vključuje menjalnik, ki poveča hitrost vrtenja na ravni, primerne za generator. Generator temelji na Faradayevem zakonu, ki določa, kako se rotacijska mehanska energija pretvori v električno energijo.
Za to sistem vključuje rotor, povezan z alternatorjem, ki pretvarja mehansko gibanje v električno energijo. Proizvedeno elektriko lahko uporabimo neposredno ali shranimo v baterije za kasnejšo uporabo.
Elementi vetrne turbine
Vetrna turbina je sestavljena iz različnih elementov, ki skupaj zagotavljajo optimalno delovanje turbine in učinkovito pretvorbo vetrne energije v električno. To so glavne komponente:
- rotor: Rotor je element, ki zbira energijo vetra. Sestavljen je iz lopatic, ki se zaradi svoje aerodinamične zasnove vrtijo tudi pri nizkih hitrostih vetra.
- Sistem priklopa: To je sklop mehanizmov, ki povezuje rezila z rotorjem generatorja za prenos rotacijskega gibanja.
- Multiplikator ali menjalnik: Ta sistem poveča hitrost vrtenja s približno 10-40 RPM rotorja na 1.500 RPM, potrebnih v generatorju za proizvodnjo električne energije.
- Generator: Generator pretvarja mehansko energijo v električno. Odvisno od turbine lahko njena moč variira od 5 kW do 10 MW pri najnovejših modelih.
- Orientacijski motor: Omogoča, da se gondola in rotor vrtita tako, da sta vedno obrnjena proti prevladujoči smeri vetra.
- Podporni drog: To je struktura, ki podpira generator in rotor. Večja kot je turbina, višja je višina, na kateri se nahaja gondola.
- Rezila in anemometri: Anemometri merijo hitrost vetra, medtem ko senzorji zavirajo lopatice, ko veter preseže določene pragove, kar preprečuje poškodbe turbine.
Vrste vetrnih turbin
Obstajata dve glavni vrsti vetrnih turbin, ki se razlikujeta po orientaciji osi rotorja:
- Turbine z vodoravno osjo: So tradicionalni, ki se uporabljajo v vetrnih elektrarnah, z osjo vrtenja vzporedno s tlemi. Ta vrsta je najučinkovitejša glede energije, ki jo zajame pometena površina.
- Turbine z navpično osjo: Te turbine imajo prednost, da zajemajo veter v kateri koli smeri, ne da bi se morale preusmeriti, čeprav je njihova učinkovitost običajno nižja v primerjavi s tistimi z vodoravno osjo.
Poleg tega se pojavljajo nove zasnove, kot so vetrne turbine brez lopatic, ki izkoriščajo nihanje vetra za proizvodnjo električne energije, čeprav so še v fazi razvoja.
Delovanje vetrne elektrarne
Vetrna elektrarna je sestavljena iz več vetrnih turbin, ki so strateško nameščene tako, da kar najbolje izkoristijo prevladujoče vetrove na tem območju. Sklop turbin povezuje proizvedeno električno energijo preko notranjega omrežja, ki jo prenaša do transformatorske postaje, kjer se električna energija pretvori v napetost, primerno za distribucijo.
Za zagotovitev neprekinjenega delovanja in učinkovitosti parka se uporabljajo nadzorni sistemi, ki spremljajo hitrost vetra, orientacijo gondol in stanje turbin. To omogoča maksimalno proizvodnjo električne energije in prepreči škodo v primeru zelo močnega vetra.
Poleg tega nekatere naprave uporabljajo vetrne turbine na morju (na morju), ki sicer dražji za namestitev ponujajo možnost izkoriščanja stalnih in močnejših vetrov na morju.
Prednosti in slabosti vetrne energije
Tako kot drugi viri energije ima vetrna energija prednosti in slabosti:
Prednosti:
- Je vir energije obnovljiv, neizčrpen in ne oddaja toplogrednih plinov.
- Omogoča zmanjšati odvisnost fosilnih goriv.
- Vetrne elektrarne so lahko nameščene na različnih lokacijah, vključno z pomorska območja in kmetijska zemljišča, ne da bi to vplivalo na njihovo rabo.
- Su ogljični odtis minimalen v primerjavi z drugimi energetskimi tehnologijami.
Slabosti:
- Učinkovitost je odvisna od razpoložljivosti vetra, zaradi česar je a intermitentni vir energije.
- Vizualni in zvočni vpliv vetrnih elektrarn je lahko na nekaterih območjih slabost.
- Velike turbine lahko prizadenejo prosto živeče živali, zlasti ptice, zato je treba te dejavnike upoštevati pri izbiri lokacij.
- Začetni stroški namestitve so visoki, čeprav se dolgoročno povrnejo.
Vetrna energija je še naprej ena najboljših možnosti za bolj trajnostno in okolju prijazno proizvodnjo energije. Z nenehnim tehnološkim napredkom se vetrne turbine ne izboljšujejo le v smislu učinkovitosti, ampak postajajo tudi bolj dostopne in manj vsiljive v smislu vizualnega in zvočnega vidika, zaradi česar so izvedljiva možnost za prihodnost svetovne energije.