nespútaná sila vetra
VAWT - existujúce vertikálne veterné turbíny - stručný prehľad
VETERNÁ ELEKTRÁREŇ
Veterná elektráreň je taký typ veterného motora, ktorý vyrába elektrickú energiu. Tú je potom možné spotrebovať priamo na mieste alebo ju dodávať do siete.
Rozdelenie podľa výkonu: - malé do 20 kW - stredné od 20 kW do 50 kW - veľké nad 50 kW
Rozdelenie podľa využitia vyrobenej energie: - do 5 kW prevažne nabíjanie akumulátorov na ďalšie využitie v domácnosti - od 5 kW do 20 kW dodávanie do siete alebo ohrev úžitkovej vody a na vykurovanie nízkoenergetických domov - od 20 kW takmer výhradne dodávanie elektriny do siete
Rozdelenie podľa konštrukcie: - s vertikálnou osou rotácie - pôsobenie vetra na plochu - s horizontálnou osou rotácie - vrtuľové turbíny
Jedna priemerná rodina SR spotrebuje ročne 2 500 kWh elektrickej energie, čo zodpovedá výkonu turbíny 1,5 kW.
Smer a rýchlosť vetra sú dve veličiny, ktoré je dôležité sledovať a hodnotiť práve pri zvažovaní výhodnosti stavby veternej elektrárne v konkrétnej lokalite.
Malé turbíny sú niekedy spájané k dieselovým/elektrickým generátorom alebo majú batériu k uskladneniu energie https://goo.gl/vqVmmB Môžu byť napájané aj do siete.
Rotor (vrtuľa, listy) veternej turbíny zachytáva energiu prúdiaceho vzduchu - vietor. Čím je náveterná plocha rotora väčšia, tým viac energie je schopný vyrobiť.
Potenciál vetra v Európe sa niekedy odhaduje až na 50 % -nú možnosť pokrytia dopytu po energii. Napríklad na Ostrovoch Cap Verde v Južnej Argentíne alebo Južnej Číne rýchlosť vetra je v priemere o 30 až 50 % vyššia ako sú hodnoty v Dánsku. V týchto oblastiach veterné turbíny môžu vrátiť energiu spotrebovanú na svoju výrobu a prevádzku za jeden mesiac. Veterná turbína vyrobí množstvo energie, ktoré prevýši niekedy až 80 krát energiu potrebnú k jej výrobe, inštalovaniu, prevádzke, údržbe a k vyradeniu.
Vyrábať si vlastnú energiu je ako tlačiť si vlastné peniaze.
Prednosti vertikálnych veterných turbín (VAWT).
1. Sú tiché, teda ich inštalácia v blízkosti domov nevadí majiteľovi, ani susedom. 2. Sú viac odolné voči silnému vetru a turbulenciám. 3. Na rozbeh im postačí aj slabší vietor. 4. Na ich inštaláciu nepotrebujú vysoký stožiar. 5. Prevažuje jednoduchšia konštrukcia. 6. Nevrhajú stroboskopický tieň. 7. Nezabíjajú vtáky.
V mnohých krajinách je predĺženie elektrického vedenia k odberateľovi o jeden kilometer drahšie ako náklady na vybudovanie malého veterného systému. Zo skúseností vyplýva, že pre dennú spotrebu na úrovni jednej kWh je energia vyrobená veternou turbínou lacnejšia ako energia z naftového generátora, alebo energia zo slnečných článkov. Platí to pre miesta, kde rýchlosť vetra v ročnom priemere presahuje 4 m/s. Takáto rýchlosť vetra je úplne bežná na mnohých miestach sveta. Pre turbínu s výkonom 10 kW je už rýchlosť vetra 3-3,2 m/s dostatočná na to, aby veterná energia bola lacnejšia ako iné alternatívy. Na svete je len málo miest, kde je priemerná rýchlosť vetra nižšia ako 3 m/s.
Dôležité je uvedomiť si aj doplnkovú úlohu malej veternej elektrárne, ktorú môže spĺňať popri inom zdroji energie - predovšetkým slnku. Spojenie slnečnej a veternej energie je v určitom zmysle a podmienkach ideálne. Za slnečných dní je možné elektrinu aj ohrev vody zabezpečiť pomocou kolektorov a fotovoltaických článkov a naopak v období zlého počasia kedy je menej slnka ale zvyčajne o to viac vetra energiu dodáva práve veterná elektráreň. Táto nepriama úmernosť sa uplatňuje predovšetkým v prechodných obdobiach. V lete dominuje energia zo slnka a v zime z vetra.
Možnosti umiestnenia malých veterných elektrárni.
Nami navrhnutý model vertikálnej veternej turbíny.
Charakteristika:
Konštrukcia veternej elektrárne je založená na veľkoplošnom zachytávaní sily prúdenia vzduchu.
Hlavným progresívnym konštrukčným prvkom je účinnejšie využitie priestoru a plochy s doposiaľ nezaznamenaným systémom protismerne sa otáčajúcich listov vertikálnej veternej turbíny. Takéto efektívne využitie sily vetra vytvára podmienky a predpoklady pre dosiahnutie až 2 krát vyšších výkonov ako u doposiaľ predávaných zariadení s podobným technickým riešením (Savonius rotor), rovnakých rozmerov, avšak využívajúcich iba jednosmerné otáčanie listov turbíny.
Podmienky využitia:
Možnosť použitia tohto typu veternej elektrárne je vzhľadom na ponúkanú variabilnosť konštrukčného riešenia pomerne rozsiahla. Elektrárne s väčšími rozmermi, teda aj výkonmi sa môžu využívať najmä na odľahlých miestach s dobrými veternými podmienkami. Elektrárne s malými rozmermi bude možné použiť ako zdroj energie pre rodinné domy, chaty ale aj v špeciálnom prevedení na strechy obytných domov, či iných stavieb.
Predpoklad najrozsiahlejšieho použitia je založený najmä na exportných možnostiach keďže podobné zariadenie sa zatiaľ nikde nevyskytuje a nevyrába.
Originalita riešenia:
Originalita riešenia je vo viacerých navrhnutých konštrukčných prvkoch, ako je:
Ø protismerné synchronizované otáčanie listov turbíny s viac ako dvojnásobne zväčšenou náveternou plochou a predpokladom 2 násobne vyšších výkonov
Ø vyšší výkon = rýchlejšia návratnosť investície
Ø spôsob výroby a inštalácie vo forme skladačiek jednotlivých dielov dáva možnosť vyhotovenia a výberu veľkosti turbíny podľa požadovaných rozmerov alebo potrieb dosahovaných parametrov ako aj ich následné úpravy
Ø bezobslužné zariadenie s minimálnou potrebou údržby počas životnosti
Ø originálne riešenie odstavenia a ochrany turbíny pri hrozbe jej deštrukcie veľmi silným vetrom
Ø až dvojnásobne nižšia hmotnosť a rozmery oproti podobným jednosmerne sa otáčajúcim zariadeniam konštruovaným na výrobu elektrickej energie za účelom jej predaja do rozvodnej siete
Ø možnosť osadenia vysoko efektívnych fotovoltaických panelov na stožiar turbíny so zabezpečením natáčania ich plochy kolmo na dopadajúce lúče slnka
Ø vysoká flexibilita, teda možnosť inštalácie na rôznych
miestach umožní maximálne využitie, tak pre potreby domácnosti, firiem ako aj na komerčné
účely odpredaja elektriny do siete
Možnosť porovnania s podobným iba jednosmerným rotorom viacnásobne oceneným vo Francúzsku ako supervynález, viď.: https://www.eolprocess.com/
Špecifikácia predností nami navrhnutej veľkoplošnej veternej turbíny.
1. Dvojnásobne väčšia náveterná plocha v porovnaní s rovnakými priestorovými rozmermi iných na podobnom princípe skonštruovaných vertikálnych veterných turbín = dvojnásobne vyšší výkon.
Tým, že sa listy (krídla) turbíny otáčajú okolo hriadeľa do oboch strán a rozmerovo zasahujú aj do priestoru susediacich v protismere sa pohybujúcich opačne natočených listov, zväčšujú náveternú plochu pri každej otáčke až dvojnásobne. Čím je náveterná plocha rotora väčšia, o to viac energie je schopný vyrobiť.
2. Rozdelením plochy turbíny na niekoľko úzkych listov otáčajúcich sa v horizontálnej a nie vertikálnej polohe ako sú konštruované všetky doposiaľ známe vertikálne turbíny podobného typu sa minimalizuje odpor ich plochy otáčajúcej sa v protismere prúdiaceho vzduchu. Zároveň úzke listy rotora umožňujú zväčšiť priemer rotora na požadovanú úroveň.
Iným turbínam s veľkými panelmi pripevnenými vo vertikálnom smere na ich plochu otáčajúcu sa proti prúdeniu vetra vzniká protismerný tlak, ktorý ich tlačí späť (brzdí) smerom k osy hriadeľa. Táto turbína s rozdelením plochy do viacerých úzkych listov v horizontálnej polohe vzduch proti ktorému sa pohybujú sice s rovnakým stúpňom náklonu ale vo vertikálnom smere umožňuje vetru takmer bezodporové obtekanie ich povrchu a vietor tlačí listy turbíny pohybujúce sa v protismere vertikálne, teda nahor alebo nadol podľa ich náklonu a nie do protismeru otáčania.
Zároveň tým,
že listy turbíny sú rozmiestnené obojstranne a rovnomerne odolávajú tlaku
vetra, sú aj ložiská obručí namáhané oveľa šetrnejšie, teda predlžujú životnosť turbíny a znižujú náklady na
údržbu.
3.
Vznik 2 kulminačných bodov pri otáčaní listov.
Na rozdiel od bežných typov vertikálnych turbín, kde najvyšší impulz tvorí iba kolmé nastavenie plochy krídel na smer prúdenia vzduchu, pri tomto type turbíny vznikne ďalší veľký tlak na listy turbíny pri ich obojstrannom strete v 45° uhle od osy hriadeľa proti smeru prúdenia vzduchu. Takto na okamih vznikne takmer uzatvorený priestor v tvare V odolávajúci silnému tlaku prúdiaceho vzduchu na listy pohybujúce sa v smere ich otáčania s vertikálnym sklonom plochy 67,5°. Listy otáčajúce sa v protismere nachádzajúce sa v rovnakom bode budú mať v tom okamžiku sklon plochy iba 22,5°.
4. Horizontálne zavesené dlhšie listy tejto turbíny budú na rozdiel od ostatných turbín s vertikálnym zavesením krídel v strednej časti plochy a pomerne kratšej vzdialenosti od hriadeľa efektívnejšie využívať aj tzv. pákový efekt.
Ten umožňuje jednotlivým náveterným krídlam pri ich otáčaní vzhľadom na dosahovanú stabilnú dĺžku pôsobiť väčším tlakom, teda účinnejšie na ramená obručí ako u tradičných turbín podobného typu, ktorých vzdialenosť plochy k obruči sa jej vertikálnym otáčaním skracuje.
5. Na základe uvedeného konštrukčného riešenia je predpokladaná činnosť turbíny už pri slabom vetre, od cca 2 m/s.
Väčšina veterných turbín sa rozbieha až pri rýchlosti vetra 2,5 - 3,5 m/s pričom niektoré musia byť nabudené elektricky.
6. Použité konštrukčné riešenie umožňuje takúto veternú turbínu variabilne prispôsobiť požiadavkám zákazníka vo forme skladačky, podľa požadovaných rozmerov a parametrov.
Keďže u tohto typu turbíny je funkčná už aj jedna obruč na ktorej sú zavesené 4 listy, je v podstate jedno z koľkých obručí (vrtuli) bude zložená. Mala by sa teda dať jednoducho svojpomocne a podľa požiadaviek zákazníka nielen skonštruovať ale aj dodatočne upravovať. Zároveň sa môže zmenou polohy zavesenia krídel prispôsobiť podmienkam montáže aj nad strechy domov, budov, či panelákov.
7. Vlastný systém zabezpečenia pred poškodením zariadenia pri silnom vetre.
Navrhnutý systém zabezpečenia pred poškodením víchricou je zárkou značného zníženia nákladov na brzdné zariadenie a zložitý systém natáčania všetkých listov do vodorovnej polohy a späť.
Základom pre stanovenie účinnosti a výkonu tohto typu veternej turbíny, ako aj optimalizácie konštrukčných riešení je vyhotovenie prototypu nami navrhnutého zariadenia.
Ukážka estetického stvárnenia a efektívneho využitia vetra pri výbere veterných turbín.
Ukážka nevkusného a neefektívneho monštra.
Ukážka využitia vetra na skrášlenie prostredia.