Tuuleelektrijaamad: tüübid, konstruktsioonid, eelised

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25

Tuuleenergia ei ole kaugeltki uus energiavarustuse haru, kuid praegustes oludes on see üha enam väljendunud edasiseks arenguks paljulubava suuna tunnuseks. Universaalsetest kontseptsioonidest tuulegeneraatorite tehniliseks teostuseks on veel raske rääkida, kuid üksikute insenertehniliste lahenduste kasutamise edusammud viitavad sellele, et lähiajal ilmub ühtne ühtne struktuurmudel. Samal ajal kasutatakse maailmas mitut tüüpi tuulikuid, millest igaühel on oma tugevused.

Tuulikute töö üldpõhimõte

Nagu enamik kaasaegseid alternatiivseid energiaallikaid, töötab ka tuuleturbiin loodusliku protsessi tulemusena mõjuva jõu tõttu. Jutt käib ebaühtlasest kütmisest tulenevatest tuulevoogudestmaa pind päikese poolt. Peaaegu kõik tuulikud töötavad järgmisel põhimõttel: õhuvoolud pööravad ratast spetsiaalsel labadega võllil, edastades nii pöördemomendi generaatorile või akuplokile. Stabiilsuse ja piisava õhu liikumisjõu tingimustes suudavad elektrit tootvad tuulikud anda kasutegur 45-50%. Just tuule muutlikkus ja selle tugevus määrab tuuleturbiinide laia disainilahenduse, mis arvutatakse ka konkreetsete kasutuskliimatingimuste alusel.

Millised on tuuleturbiinide peamised eelised?

Tuulikute efektiivsust saab hinnata nii traditsiooniliste energiaallikatega võrreldes kui ka taastuvatel vabadel ressurssidel töötavate generaatorite taustal. Selliste süsteemide kõige silmatorkavamad eelised, mis annavad lootust nende edukaks arendamiseks tulevikus, on järgmised tegurid:

• Tuuleenergia ise pole mitte ainult taastuv, vaid saadaval ka kogumiseks ja töötlemiseks.
• Majanduslik kasu. Üheselt mõistetavad hinnangud konkreetsete majandusnäitajate osas ei saa veel olla tingitud erineva jõudlusega töötavate süsteemide mitmekesisusest. Kuid me saame rääkida üksikute projektide silmapaistvatest tulemustest. Näiteks kui palju maksab kilovatt elektrienergiat suurest avameretuulikust? Võime rääkida vahemikust 2-12 rubla. 1 kWh eest.
• Keskkonnasõbralik. Tuuleturbiinide töö ei näe ette kahjulikkuõhusaasteainete heitkogused.
• Kompaktne. Tuuleturbiini paigaldamist isegi tööstuslikul kujul ei saa võrrelda traditsiooniliste elektrijaamadega. See on suuresti tingitud selliste süsteemide autonoomiast ja sõltumatusest abiside- ja ressurssidest.

Horisontaalse telje generaatorid

Selliste tuulikute konstruktsiooniskeem näeb ette elektrigeneraatori, käigukasti, labade ja raamiga torni olemasolu. Terade konfiguratsioon on teostatud selliselt, et õhk voolab lehtrisse, mis tekitab väändemomendi. Selliste elektrit tootvate tuulikute töötamise oluline tingimus on võime kohaneda voolude liikumise omadustega (suund ja tugevus). Selleks on konstruktsioonid varustatud labade pööramise ja kallutamise mehhanismidega maapinna suhtes. Kõige arenenumates mudelites kasutatakse ka automaatjuhtimisega kontrollereid. Mis puutub tuuleratta rakendamisse, siis horisontaalsetes skeemides kasutatakse sagedamini kolme labaga konfiguratsiooni. Veelgi enam, generaatorite jõudluse suurendamiseks kipuvad insenerid suurendama funktsionaalse vastuvõtuosa suurust, mis näiteks seletab praegust suundumust minna konstruktsioonide valmistamisel plastilt ja kergmetallidelt kallitele komposiitelementidele.

Vertikaalse telje generaatorid

Sellistel generaatoritel on horisontaalsete struktuuride ees märkimisväärne eelis,mis seisneb vajaduse puudumises käitise jälgimiseks ja juhtimiseks täiendavate vahendite järele. See tähendab, et vertika alteljega tuulik ei kohandu töötamise ajal kuidagi voogude liikumisega. See õhumassidega suhtlemise omadus vähendab samaaegselt pinget tuulegeneraatori labades ja vähendab güroskoopilisi koormusi. Käigukastiga generaator, mis moodustab tehase mootori, võib paikneda konstruktsiooni torni aluses ilma vigastuste või rikete ohuta. Kuid miks ei asendanud vertikaalsed paigaldused kirjeldatud eelistega täielikult horisontaalseid tuulikuid? Kahjuks on neil mudelitel ka olulisi puudusi. Kuna tuuleratast ei juhi tuulevoolud ja see töötab alati kitsas energiahõivevahemikus, väheneb generaatori jõudlus loogiliselt. Seetõttu on vertikaalsete tuuleveskite piisava võimsuse säilitamiseks vajalik nende massiline kasutamine suurte alade katmisel, mis pole alati võimalik.

Darrieuse rootoril põhinevad kujundused

Vertikaalse tiivikuga tuulikugeneraatorid põhinevad Savoniuse või Darrieuse rootori konstruktsioonil. Kuid sellel rühmal on ka oma variatsioonid ja kaasaegsed modifikatsioonid. Viimase aja lootustandvaim arendus on 2001. aastal loodud Gorlovi helikoidturbiin. See on omamoodi jätk Darrieuse rootori kontseptsioonile, kuid optimeeritud kujul. Spiraalsed vertikaalsed labad võimaldavad minimaalse aktiivsusega toota energiat vee- ja õhuvooludest. Täna need generaatoridkasutatakse nii spetsiaalsetes tuuleparkides kui ka hüdroelektrijaamade osana.

Voovõimenditega tuulegeneraatorid

Mingil moel jätk ka tuuleveskite klassikalistele disainidele, kuid kohandatud praegustele kõrgtehnoloogilistele töötingimustele. Vooluvõimenditega modifikatsioonid eristuvad ühe või mitme renni olemasolust, mis on mõeldud õhuvoolu kontsentreerimiseks. Nende samade vihmaveerennide kujul olevad aerodünaamilised koonusekujulised elemendid koguvad voolusid suurel alal, suunates need ühte suunda ja suurendades seeläbi labade süsteemi kiirust. Vooluvõimenditega tuuleturbiinide kasutamise raskus seisneb selles, et need nõuavad täiendava elemendirühma kasutamist. Pealegi on sellistes süsteemides võimalik saavutada märkimisväärne tootlikkuse tõus ainult abienergiaallikate ühendamisega, mis ei ole alati majanduslikult põhjendatud.

Käigukäiguta tuuleturbiinid

Struktuurse optimeerimise ideega kooskõlas on ilmunud ka ilma käigukastita tuuleelektrijaama variant. Selle asemel kasutatakse rõngakujulist kanalit, mis on varustatud sisemise metallvardaga. See rõngas on paigaldatud rootori velje ümber. Siin asub ka rühm magneteid, mis suhtlevad metallvardaga, aidates seeläbi kaasa voolu tekitamisele. Umbes 200 cm rootori läbimõõduga käigukastita tuuleturbiinide jõudlus võib ulatuda 1500 kWh-niaastal. Selle konstruktsiooni peamine eelis on käigukastiga generaatorite töös tekkivate looduslike energiakadude vähendamine. Kuid selle eelise eest tuleb maksta kiiruspiirangutega. Selleks, et seade saaks optimaalsesse töövoogu, on vajalik voolukiirus vähem alt 2 m/s.

Tööstuslike tuuleturbiinide omadused

Tööstuslikel tuulikutel on kaks põhimõttelist erinevust – suured mõõtmed ja suur väljundvõimsus. Seda tüüpi jaamade eelised ja puudused tulenevad nendest funktsioonidest. Konstruktsiooni osas piisab, kui öelda, et tänapäevaste tööstustuulikute kõrgus võib ulatuda 150-200 m-ni ja labade siruulatus võib olla üle 100 m. Suur võimsus nõuab ka funktsionaalse infrastruktuuri keerukust. Seega kasutatakse energia muundamise protsessi juhtimiseks tuulegeneraatori kontrollereid, mis tagavad aku praeguse laetuse arvestamise. Lisaks sisaldab selliste paigaldiste elektritoite invertereid ja lühisekaitsesüsteeme.

Kodumajapidamises kasutatavate tuuleturbiinide omadused

Kõige lihtsamaid tuulikuid ei saa mitte ainult kodus kasutada, vaid ka käsitsi kokku panna. Reeglina on need väikese suurusega paigaldised, mille kõrgus ei ületa 10 m ja mis on võimelised töötama 0,5-5 kW võimsusega. Kodumasinate passiivse energiaallikanavõi üksikud elektriseadmete rühmad, õigustab see valik end. Kuid kompaktseid tuuleturbiine kasutavad tänapäeval suured ettevõtted tootmisrajatiste toiteks. Minituulikuparkide baasil moodustuvad piisav alt tootlikud ja töökindlad süsteemid, mis suudavad konkureerida suure võimsusega üksikute generaatoritega.

Avamere tuuleturbiinide omadused

Seda tüüpi tuulikute populaarsus on tingitud mitmetest eelistest maismaal asuvate jaamade ees. See puudutab peamiselt stabiilsemaid töötingimusi, kuna tuulevoogusid ei takistata rannajoonest eemale. Samal ajal jagunevad avameretuulikute konstruktsioonid kahte rühma - toetavad ja ujuvad. Esimesed paigaldatakse madalasse vette klassikalise toega veealusesse maasse. Ujuvjaamadel on vastav alt oma ujuvplatvorm, mis on fikseeritud ankrute ja muude mereseadmete abil.

Tuulikute konstruktsioonide kombinatsioon hoonekarkassidega

Samuti on väga paljulubav rühm tuulikuid, mis on sõna otseses mõttes integreeritud kõrghoonete keredesse. Sellel lahendusel on kaks eelist - soodsad tingimused voogude "vastuvõtmiseks" ja elektrienergia tarnetee vähenemine, kuna lõplikuks tarneallikaks on tavaliselt hoone sees olevad tarbijad. Hetkel toimub seda tüüpi tuuleturbiinide integreerimine sagedamini kasutadesspetsiaalsed aerodünaamilised silindrid, mis on paigaldatud pilvelõhkujate katustele. Samuti on väljatöötamisel minipropellerite kontseptsioon, mida saab paigutada kõrge ehitusplatsi mis tahes ossa. Seadmed on sõna otseses mõttes integreeritud seintesse, misjärel ühendatakse need üldise toitesüsteemiga, andes välja väikese, kuid stabiilse energiahulga.

Järeldus

Viimastel aastatel on huvi tuuleturbiinide vastu Venemaal märgatav alt kasvanud. Perioodiliselt pannakse erinevates piirkondades tööle suuri jaamu võimsusega kuni 30-50 MW. Meie riigi jaoks on tuulikud eriti kasulikud, kuna need võimaldavad varustada energiaga kaugemaid piirkondi, kus hetkel puudub võimalus korraldada muid energiavarustuse viise. Aktiivselt areneb ka väikeste tuuleelektrijaamade segment. Venemaal on väga populaarseks muutunud individuaalsed elektrisüsteemid võimsusega 1-5 kW. Samas ei keeldu arendajad kombineerimast tuulikute tööpõhimõtteid sisepõlemismootoritega. Edu selles suunas näitavad eelkõige tuule-diisli konstruktsioonid. Kui suur nõudlus tuuleenergia järele Venemaal lähikümnenditel on, on endiselt raske öelda, kuna traditsiooniliste energiaallikate positsioonid on endiselt tugevad. Kuid alternatiivenergiale ülemineku suundumused kogu maailmas ärgitavad Venemaa tööstust selliseid valdkondi aktiivselt uurima.