Větrné turbíny s vertikální osou: minulost, současnost, budoucnost. 9. srpna 2010 //
Rychlé tempo rozvoje globálního průmyslu větrné energie ohromuje i úzký okruh odborníků pracujících v této oblasti. Instalovaný výkon větrných elektráren (VEP) na světě tak do konce roku 2008 činil více než 120824 XNUMX MW. Spolu s triumfálním pochodem elektráren megawattové třídy s horizontální osou se v posledních letech znovu probudil zájem o jednodušší zařízení s vertikální osou otáčení, která mají řadu nepopiratelných výhod.
Krátká historická exkurze
Větrné mlýny s vertikální osou jsou lidstvu známé od nepaměti. Nejstarší dokument, který se dochoval do naší doby a který zmiňuje takové zařízení, není datován příliš přesně a vztahuje se k období 500-900 n. l. Dokument popisuje perský mechanismus používaný ke zvedání vody a mletí obilí. Později takový větrný stroj dostal latinský název „panemone“, což znamená: otáčí se v jakémkoli směru větru. 
Vertikální větrné turbíny se používaly také v Číně, která je často uváděna jako jejich rodiště. Všeobecně se věří, že větrný mlýn byl vynalezen v Číně před více než 2000 1219 lety, ale nejstarší doložená zmínka o jednom z nich pochází z roku XNUMX n. l. a napsal ji čínský státník. Dokument také uvádí, že větrný mlýn byl zřejmě používán k mletí obilí a čerpání vody.
Fáze moderní historie vývoje větrných turbín s vertikální osou jsou poznamenány patenty na konstrukce, které se dnes úspěšně používají:
— Savoniův rotor (S.J. Savonius, Finsko, 1922, obr. 2a);
— Darrieův rotor (J. J.-M. Darrieus, Francie, 1931, obr. 2b);
— Musgroveův rotor (P. Musgrove, Velká Británie, 1975, obr. 2c);
— rotor „Windsight“ (R. Jutsiniemi, Finsko, 1979, obr. 2D);
— Gorlovova helikoidní turbína (A. Gorlov, USA, 2001), která je s drobnými rozdíly reprodukována větrnými turbínami „Twister“, „Turby“, „Quitrevolution“ (obr. 2d) atd.
Princip
Přeměna energie v moderních větrných turbínách probíhá ve dvou fázích: kinetická energie pohybující se vzdušné hmoty (větru) se nejprve přemění na mechanickou energii a poté se mechanická energie přemění na elektrickou energii. Pro přeměnu větrné energie na mechanickou energii se používají aeromechanická zařízení, která se v souladu s ruskou normou obvykle nazývají větrné motory. V zahraničí se při hovoření o podobných zařízeních nejčastěji používá termín větrná turbína.
Větrná turbína odebírá pouze část kinetické energie z vzdušné hmoty pohybující se určitou rychlostí a velikost této části závisí na principu fungování instalace, rozměrech aktivní části a provozním režimu. Existují dvě hlavní metody odběru energie z pohybujícího se proudu vzduchu, na kterých je založen provoz moderních větrných turbín.
První metoda využívá jevu vztlaku křídla, které má v řezu odpovídající aerodynamický profil a nachází se v pohybujícím se proudu vzduchu. Pro zjednodušení je budeme nazývat „vztlakové větrné motory“. 
Druhá metoda je založena na rozdílném (nestejném) čelním odporu pevného tělesa asymetrického tvaru s jeho odlišnou orientací vzhledem ke směru proudění vzduchu. Nazvěme je „větrné turbíny s rozdílným čelním odporem“.
Existuje také řada návrhů, které kombinují obě výše uvedené metody v různém procentuálním poměru.
Aby bylo možné provést srovnávací posouzení technických řešení, vyvinula větrná energetika kritéria, která charakterizují energetickou účinnost návrhu a provozního režimu: faktor využití větrné energie a rychlost.
Faktor využití energie větru je poměr mechanického výkonu vyvinutého větrnou turbínou k mechanickému výkonu proudění vzduchu procházejícího prostorem ohýbaným pracovními plochami (křídly nebo lopatkami) této větrné turbíny. V mezinárodní větrné energetice je zvykem označovat faktor využití energie větru jako Cp a nazývat jej „faktor CP“. Teoreticky bylo prokázáno, že pro ideální větrnou turbínu, u které se neberou v úvahu žádné ztráty, nemůže být hodnota Cp větší než 0,593. Toto číslo se nazývá Betzův limit a je ze své podstaty bezrozměrnou hodnotou.
Rychlost větrné turbíny je poměr lineární rychlosti bodu křídla, který je nejdále od osy otáčení větrné turbíny (určeného poloměrem rotoru a jeho frekvencí otáčení), k rychlosti větru, která se obvykle označuje symbolem ?. Rychlost je z definice bezrozměrná veličina. Větrná turbína se považuje za pomalu se pohybující, pokud ? Energetické charakteristiky
Hlavní vlastnosti jakékoli větrné turbíny jsou poměrně plně popsány závislostí Ср = f(l), která se nazývá její hlavní energetická charakteristika. Obrázek 8 ukazuje hlavní energetické charakteristiky řady běžných větrných turbín.
Větrní energetici si dobře uvědomují, že Cp ≥ 0,593, což teoreticky dokázali naši ruští vědci (Sabinin a další) již v roce 1914, ale v zahraničí byl důkaz publikován v roce 1924 německým fyzikem Betzem a hodnota 0,593 se nazývá „Betzův limit“.
Z obrázku je zcela zřejmé, že větrné turbíny s vertikální osou, využívající vztlakovou sílu křídla k vytvoření točivého momentu, mají hodnotu Cp velmi blízkou hodnotě vysokorychlostních větrných kol s malými listy a horizontální osou otáčení. Tato okolnost, spolu s relativní jednoduchostí konstrukce a absencí nutnosti namířit turbínu do větru, je důvodem moderního oživení zájmu o větrné motory s vertikální osou.
Neméně důležitou charakteristikou větrné turbíny s vertikální osou (stejně jako jakékoli jiné) je rozvinutá výkonová křivka, což je závislost výstupního elektrického výkonu instalace na rychlosti větru. Seriózní výrobci větrných turbín vždy uvádějí takovou křivku v technických charakteristikách svých výrobků, protože nemá smysl hovořit o výkonu instalace bez zohlednění rychlosti větru. Pokud existují statistiky o četnosti opakování rychlosti větru pro oblast, která nás zajímá, umožňuje nám rozvinutá výkonová křivka provést poměrně přesný výpočet výroby elektřiny.
Trendy ve vývoji větrných turbín s vertikální osou
Současný nárůst zájmu o větrné turbíny s vertikální osou je vysvětlen řadou objektivních důvodů:
— prakticky vyčerpané rezervy pro vývoj větrných turbín s horizontální osou (koncepčně i technicky – na současné úrovni technologického rozvoje již není možné stavět větší instalace);
— relativně vysoké energetické charakteristiky jednotlivých konstrukcí větrných turbín s výrazně jednodušší konstrukcí, která ve většině případů nevyžaduje namíření proti větru;
– relativně nízká hladina hluku a vibrací.
Nastíněme si některé trendy pozorované v oblasti návrhu, výroby a provozu větrných turbín v současnosti.
Široké využití počítačového modelování. Pokroky ve vývoji moderních matematických metod a softwarových nástrojů umožňují provádět poměrně přesné konstrukční výpočty za přítomnosti podstatně turbulentních procesů probíhajících během provozu větrných turbín tohoto typu. Obrázek níže ukazuje typické formy prezentace výsledků použití softwarových nástrojů implementujících metodu konečných prvků pro výpočet rychlostního pole proudění vzduchu procházejícího průřezem rotoru větrné turbíny. Právě díky počítačovému modelování získala daná oblast větrné energetiky silný impuls k rozvoji.
Neustálé zdokonalování konstrukcí větrných turbín typu VO. Spolu s používáním nových konfigurací lopatek v oblasti větrných turbín typu VO se objevila tendence k zavádění mechanizace křídel. Pokud se v instalaci použije rovné křídlo, je možné implementovat kombinaci Savonius-Darrieus pro provoz v různých režimech:
Rozdělení větrných elektráren typu VO do dvou skupin na základě poměru výšky rotoru k průměru. Analýza stávajících konstrukcí větrných elektráren typu VO ukazuje, že se zvyšujícím se instalovaným výkonem existuje tendence ke zvětšování průměru rotoru a současnému snižování jeho frekvence otáčení. Čím větší jsou rozměry rotoru, tím obtížnější je dosáhnout jeho aerodynamické symetrie a vyvážení, což je při vysokých frekvencích otáčení spojeno s výskytem značných vibrací, které mohou vést ke zničení konstrukce.
Výstavba větrných elektráren na moři založených na větrných turbínách s horizontální osou. Nejdůležitějším trendem pozorovaným v moderní větrné energetice je výstavba větrných elektráren na kontinentálním šelfu. Výstavba větrné farmy je obecně ziskovější než výstavba samostatné větrné elektrárny. Pobřežní parky umožňují řešit širší škálu problémů, zejména jsou požadavky na hluk a vibrace sníženy na minimum a stroboskopický efekt se vůbec nezohledňuje. Kromě toho se v pobřežní zóně zpravidla pozorují stabilní větry s dostatečnou rychlostí. Donedávna se v pobřežních větrných elektrárnách používaly pouze větrné turbíny s horizontální osou. Poměrně nedávno se na internetu objevily informace o připravované výstavbě zařízení s instalovaným výkonem 10 MW založeného na instalacích s vertikální osou. 
Silné zrychlení čínských výrobců. Před třemi nebo čtyřmi lety bylo na internetu téměř nemožné najít reklamu na čínského výrobce větrných turbín. Dnes se na prvních třiceti stránkách vyhledávání na téma větrných turbín VO mezi čínskými společnostmi občas objevují americké a evropské společnosti. Charakteristickým rysem čínské větrné energie je, že do výroby je uváděno jakékoli zařízení schopné vyrábět elektřinu z větrné energie bez ohledu na princip fungování a hodnotu Cp. Ceny čínských výrobků jsou výrazně nižší, ale kvalita stále nechává mnoho prostoru pro zlepšení. Všichni však známe objektivní zákon přechodu kvantity do kvality, podle kterého bychom měli v nadcházejících letech očekávat vznik nového světového lídra v oblasti větrné energie. Jak již bylo uvedeno výše, Čína se dnes již umístila na druhém místě na světě, co se týče instalovaného výkonu větrných turbín.
Naše skromné úspěchy
Výzkumná laboratoř technologií obnovitelných zdrojů energie Mezinárodního institutu počítačových technologií (NIL TEVI MICT, Voroněž) společně s Pedagogickou výzkumnou laboratoří alternativních energetických technologií a instalací (UIL AETU) Voroněžské státní technické univerzity provádí výzkum v oblasti větrných elektráren typu VO již řadu let. Pod vedením autora byly v laboratořích provedeny odkalovací práce modelů řady rotorů.
V důsledku výzkumu provedeného na žádost společnosti Baltic Machine-Tool Plant JSC byl vyvinut slibný návrh větrné turbíny, jejíž demonstrační model je v současné době ve fázi výroby.
Provozní instalace má originální konstrukci lopatky z kompozitního materiálu, magnetické zavěšení rotoru a vícepólový generátor s přímým pohonem s buzením z permanentních magnetů. Přeměna energie se provádí podle schématu: větrná turbína – synchronní generátor – nastavitelný usměrňovač – vyrovnávací paměť energie – střídač – spotřebiče nebo síť.
Společnost VESTAS, která zaujímá významný podíl na globálním trhu s větrnými turbínami, prošla pětatřicetiletou cestou hledání této konstrukce, která je dnes považována za nejslibnější.
Přijatelná účinnost zařízení je zajištěna regulací zatížení v závislosti na (rychlosti větru nebo točivém momentu) a použitím pasivního magnetického zavěšení, které se nyní v takových konstrukcích začíná široce používat.
V budoucnu bude pro zvýšení výkonu větrné turbíny zapotřebí buď speciální generátory, nebo multiplikátory. Hlavní obtíže budou, jako obvykle, souviset především s tím, že spolehlivost sériového generátoru a multiplikátoru musí být na úrovni letecké a kosmické technologie. Ani jedno se v Rusku nevyrábí a je nutné takovou výrobu zavést již dnes. Jinak budeme zítra živit zahraniční výrobce z tohoto odvětví a požírat omezené bohatství našich podzemních zásobáren.
Pavel Beljakov, PhD, docent, profesor katedry elektroenergetiky Mezinárodního institutu počítačových technologií (Voroněž); docent katedry elektromechanických systémů a napájení Voroněžské státní technické univerzity
Autor se omlouvá odborníkům na větrnou energii za zjednodušenou prezentaci materiálu a neúplné dodržení terminologie, jelikož článek má spíše populárně-populární než vědecký charakter.
| Webové stránky Advis.ru představují pouze několik materiálů k tomuto tématu, které shromáždili specialisté z agentury INFOLine. Všechny události v odvětví elektroenergetiky a energetiky lze nalézt pomocí služby Tematické zprávy. |