Vše o lopatkách větrných turbín – 10 nejčastějších otázek o větrné energii
Větrná turbína (větrná elektrárna), známá také jako větrný generátor, je mechanické zařízení, které přeměňuje kinetickou energii generovanou větrem na elektrickou energii.
Dlouholeté zkušenosti s provozem a testováním větrných turbín vyústily v aerodynamicky navržený design, který kombinuje výkon, hospodárnost a škálovatelnost.
Lopatky větrných turbín hrají důležitou roli a jejich tvar, úhel, hmotnost a použité materiály mohou mít velký vliv na účinnost turbíny při výrobě elektřiny.
Lopatky větrné turbíny musí mít aerodynamický profil, aby vytvářely vztlak a generovaly maximální točivý moment pro otáčení turbíny a hnacích generátorů. Tvar listu větrné turbíny je tedy životně důležitý pro základní fungování stroje.
1. Jak ovlivňuje délka lopatky větrnou elektrárnu?
Větrná turbína s delšími lopatkami bude schopna zachytit více dostupného větru než kratší lopatky, a to i v oblastech s relativně slabým větrem. Schopnost sbírat více větru při nižších rychlostech větru by mohla zvýšit počet oblastí dostupných pro větrnou energii.
2. Jak dlouhé jsou lopatky větrné turbíny?
Dnes jsou nejběžnější průmyslové větrné turbíny vysoké asi 70 metrů. Jejich výkon závisí na velikosti a výšce, ale obvykle se pohybuje od jednoho do pěti megawattů
Lopatky těchto větrných turbín jsou v průměru dlouhé asi 50 metrů, což jim umožňuje pokrýt větší plochu, zachytit více větru a vyrobit více elektřiny.
Nejdelší lopatky větrných turbín na světě do letošního roku vyráběla společnost LM Wind Power – 107 metrů. Rekordmanem tohoto parametru jsou v tuto chvíli větrné turbíny Siemens Gamesa Renewable Energy o výkonu 14 MW, které využívají 108metrové lopatky.
V současné době se vyvíjejí delší čepele. Dánský výrobce větrných turbín Vestas tedy plánuje letos otestovat 115,5 metru dlouhý list rotoru pro nový prototyp větrné turbíny V236-15,0 MW ve Fraunhoferově institutu pro systémy větrné energie IWES v Bremerhavenu v Německu. Očekává se, že tyto větrné turbíny budou postaveny a uvedeny do komerčního provozu v roce 2024.
3. Jaký je nejlepší tvar lopatky větrného mlýna?
Čím rychleji fouká vítr, tím větší vztlak se vytváří na čepeli, proto je rotace rychlejší. Výhody zakřiveného listu rotoru oproti plochému listu jsou v tom, že zdvih umožňuje, aby se špičky lopatek větrné turbíny pohybovaly rychleji, než se pohybuje vítr, čímž vzniká větší výkon a vyšší účinnost.
Mírně zakřivené lopatky turbíny mohou zachytit o 5-10 % více větrné energie. Zakřivené lopatky také fungují efektivněji v oblastech s nižší rychlostí větru.
Optimální tvar lopatky větrné turbíny je zakřivená lopatka, protože tento tvar umožňuje vyšší rychlosti otáčení, což je ideální pro výrobu energie.
Zakřivený tvar lopatky generuje vztlak díky nízkému tlaku vzduchu generovanému na straně s největším zakřivením a vysokotlakým silám vzduchu na druhé straně profilu lopatky. Tyto dvě síly vytvářejí vztlakovou sílu kolmou na proudění vzduchu přes lopatky turbíny.
Dobře navržená lopatka rotoru turbíny vytvoří přesné množství zdvihu a tahu, které poskytuje optimální vzduchovou retardaci pro zlepšení účinnosti lopatky.
4. Měly by být lopatky větrné turbíny těžké nebo lehké?
Lopatky větrných turbín musí být lehké, protože jsou účinnější, když jsou lehčí. To usnadňuje montáž a demontáž větrných turbín a také usnadňuje jejich otáčení, čímž se zvyšuje jejich výkon. Zatímco lehké systémy s vysokou pevností materiálu jsou ideální, snížení hmotnosti může vést ke zvýšenému riziku selhání konstrukce.
Velké větrné turbíny s těžkými lopatkami mohou také negativně ovlivnit místní volně žijící zvířata, zejména hejna stěhovavých ptáků, kteří se zachytí lopatkami a zemřou.
Stejně jako u většiny mechanických systémů je běžné vyvažování pevnosti a hmotnosti pro celkový výkon.
5. Jaký je nejlepší úhel pro lopatky větrných turbín?
Pro každou rychlost větru existuje optimální úhel lopatky, při kterém je výkon generovaný větrným generátorem maximální. Tento optimální úhel závisí na rychlosti větru. Například úhel náklonu 5° je optimální pro větrný generátor při provozní rychlosti 7 m/s pro optimální výrobu energie, 20° při 15,1 m/s a 30° při 25,1 m/s. Provoz větrného generátoru pod jinými úhly vede ke snížení výkonu.
Tah se zvyšuje s rostoucí rychlostí přicházejícího proudu vzduchu v důsledku většího přenosu hybnosti. Tah se snižuje se zvyšujícím se úhlem lopatky v důsledku zmenšení přední plochy a tím i snížení odporu lopatky.
6. Proč mají větrné turbíny pouze tři lopatky?
Lopatky větrného generátoru jsou připojeny k centrálnímu náboji. Tato sestava lopatek a náboje se nazývá rotor turbíny, který generuje aerodynamický točivý moment z větru.
Rozumnou otázkou je, proč má větrný mlýn pouze tři lopatky? K zodpovězení této otázky je třeba vzít v úvahu řadu úvah.
Za prvé, použití více než tří lopatek má malý vliv na účinnost větrného generátoru, která se zvyšuje jen velmi málo, pokud jsou použity čtyři lopatky místo tří, ale zvyšuje se hmotnost rotoru a rychlost otáčení, při které je dosaženo špičkového výkonu, klesá.
Za druhé, více čepelí znamená vyšší náklady na materiál a výrobu. Více nožů vyžaduje více údržby.
Jak se počet lopatek zvyšuje, musí být tenčí, což má za následek ztrátu tuhosti a aerodynamické účinnosti. Velké množství lopatek může zvýšit tlak a způsobit převrácení celé konstrukce turbíny.
Konečně tři lopatky umožňují dobře vyvážit dynamické zatížení rotujícího rotoru větrem. Se třemi lopatkami zůstává moment hybnosti konstantní, protože když je jedna lopatka zvednutá, ostatní dvě jsou nasměrovány pod úhlem. Tímto způsobem se větrná turbína může plynule otáčet proti větru.
Ze všech těchto důvodů se tři lopatky staly standardem ve větrné energii.
7. Jaká je optimální rychlost otáčení listu větrné turbíny?
Rychlost větrné turbíny určuje množství elektřiny, které dokáže vyrobit.
Pokud se lopatky točí příliš pomalu, velké množství větru projde nerušeně, což omezí množství energie, kterou lze potenciálně vyrobit. Na druhou stranu, pokud se lopatky točí příliš rychle, chovají se ve větru jako velký plochý rotující disk, který vytváří enormní odpor a omezuje množství energie, kterou lze vyrobit.
Optimální poměr rychlosti hrotu listu je definován jako poměr rychlosti hrotu listu k rychlosti větru. Tento ukazatel závisí na několika faktorech, včetně tvaru, počtu a konstrukce lopatek turbíny.
Standardní otáčky větrné turbíny se pohybují od 5 do 25 otáček za minutu.
Moderní větrné turbíny jsou navrženy tak, aby se otáčely různými rychlostmi, a vysoce účinné třílopatkové turbíny mají optimální poměr otáček lopatek šest ku sedmi.
Větrné turbíny, které při silných poryvech pracují s konstantním převodovým poměrem nebo blízko optimálního převodového poměru, zlepšují účinné zachycování a přeměnu energie.
8. Z jakých materiálů jsou vyrobeny lopatky moderních větrných turbín?
Materiál lopatek turbíny hraje rozhodující roli v účinnosti stroje na výrobu elektřiny.
Lopatky větrných turbín musí mít nízkou hmotnost, vysokou pevnost, vysokou tuhost, vysokou únavovou pevnost a vysokou odolnost proti lomu, aby vydržely údery blesku, krupobití, vlhkost a velké změny teplot.
K výrobě lopatek větrných turbín se používá několik typů materiálů, což umožňuje lopatkám pracovat s maximální účinností.
Nejvhodnějším materiálem pro výrobu lopatek větrných turbín jsou vlákny vyztužené kompozity, které mají vysokou pevnost a tuhost a také nízkou hustotu. Menší čepele mohou být vyrobeny z lehkých kovů, jako je hliník, ale budou vyžadovat častou údržbu.
V současné době jsou komerční lopatky větrných turbín vyráběny z polymerů vyztužených vlákny, což jsou kompozity sestávající z polymerní matrice a vláken.
Dlouhá vlákna v těchto materiálech poskytují pevnost a podélnou tuhost, zatímco matrice poskytuje pevnost mimo rovinu, pevnost delaminace, lomovou houževnatost a tuhost.
Plasty vyztužené skleněnými vlákny a uhlíkovými vlákny – plasty vyztužené skleněnými vlákny a uhlíkovými vlákny – jsou také dobré materiály pro čepele, protože mají vysokou lomovou houževnatost, odolnost proti únavě a tepelnou stabilitu.
9. Mohou se lopatky větrné turbíny otáčet v obou směrech?
Stejně jako křídlo letadla generuje vztlak ze vzduchu proudícího pod ním, rotují lopatky rotoru větrné turbíny poháněné větrem proudícím po jeho povrchu. Záleží na tom, kterým směrem se ty obrovské rotorové listy točí?
Listy rotoru větrné turbíny mohou být navrženy tak, aby se otáčely v obou směrech a vyráběly elektřinu – ve směru nebo proti směru hodinových ručiček.
Většina turbín se otáčí ve směru hodinových ručiček z důvodu pohodlí a jednotného globálního standardu. Směr otáčení rotoru však může být rozdíl, když jsou dvě nebo více větrných turbín umístěny za sebou.
10. Jak se čepele udržují a opravují?
Existují dva typy údržby: preventivní a nápravná. Prvním z nich je provádění pravidelných kontrol s cílem zjistit stav lopatek a hledat možné poškození.
Tyto kontroly se provádějí různými způsoby: ze země, šplháním na radlice pomocí lan, jeřábů nebo zvedacích plošin.
Nápravná údržba spočívá v opravě nebo rekonstrukci lopatek, aby se odstranilo poškození, které se objevuje jak na povrchu, tak v jeho struktuře.
Lopatky větrných turbín mohou mít praskliny, poškození způsobené bleskem a ptáky nebo otvory na přední nebo zadní hraně a další poškození.
V současnosti se zkoumají alternativní systémy oprav a čištění, jako jsou dálkově ovládané drony, aby operátoři nemuseli lézt na větrné turbíny.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Zjednodušte si výpočty elektrických obvodů, parametrů zařízení a dalších elektrotechnických úkolů s touto praktickou aplikací: Online kalkulačka elektrotechniky
Rozvíjejte své profesní dovednosti s katalogem specializovaných kurzů pro technické profesionály – vyberte si vhodný formát a témata.
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí:
Jednou z nevýhod obnovitelných zdrojů energie je obtížnost jejich opětovného využití. Obzvláště kontroverzní jsou lopatky větrných turbín. Jak se trh a výzkumní pracovníci snaží zlepšit udržitelnost?
Někteří nazývají větrné turbíny fantastickým kusem čisté technologie. Jiní je považují za příliš hlučné, příliš těžkopádné nebo nebezpečné pro biologickou rozmanitost. Jedno je ale jisté. Větrná energie čelí v Evropě výzvám. Jedním z palčivých problémů je problém s lopatkami turbín, které se obtížně likvidují.
Boj s větrnými mlýny
Obyvatelé města Lunas na jihu Francie požadují demontáž sedmi turbín z větrné elektrárny Bernag. Bojovali za to roky a soud stále pokračuje.
Nejsme proti větrné energii. Jsme proti instalaci turbín v oblastech s bohatou biologickou rozmanitostí. V regionu Okcitánie se jedná o 70 % území.
Marion Valeová
zástupce “Kolektivu 34-12”
Marion je představitelkou Kolektivu 34-12. Začátkem června vyzvala obyvatele, aby protestovali před větrným parkem Bernag poté, co developer vyhrál soudní odvolání proti demontáži kontroverzních větrných turbín.
V Evropě bude v blízké budoucnosti rozebráno obrovské množství větrných turbín, ale místní stížnosti s tím nemají nic společného.
Větrné turbíny první generace zastarávají a je třeba je nahradit modernějšími a účinnějšími. Tento proces, nazývaný obnova kapacit, začal v Evropě různým tempem. Co jsme viděli v jednom z výrobních závodů v Gentu.
Jejich kapacita se zdvojnásobí – ze 2 megawattů na 4,2 megawattu na větrnou turbínu. Ztrojnásobíme vyrobenou elektřinu – to je více než 9 000 kilowatthodin, což dodá energii téměř 5 800 rodinám.
Alžběta Kalenzová
Manažer projektu obnovitelné energie, Engie Belgium
Do roku 2030 bude možná muset být v Evropě vyřazeno z provozu až 5700 90 větrných turbín kvůli modernizaci kapacity. Dnes lze téměř vše ve větrném generátoru recyklovat, a to až z XNUMX %. Problém je v lopatkách. Jsou vyrobeny z kompozitních materiálů, které jsou navrženy tak, aby vydržely a nebyly recyklovatelné.
Jedna větrná lopatka je dlouhá asi 40 metrů, váží sedm tun a tvoří 10 % těžko recyklovatelné větrné turbíny. Těchto 10 % vyvolalo kontroverzi po celém světě ohledně udržitelnosti této obnovitelné energie.
Co se tedy dnes děje s lopatkami? Většina z nich je znovu použita. Tento pojede například na Ukrajinu. Ale počet lopatek vyřazených z provozu za pět až deset let bude tak velký, že bude nutné vyměnit celý systém.
V současnosti je asi 80 % všech demontovaných větrných turbín znovu využito někde jinde. Především v Evropě: Itálie, Velká Británie, Švédsko, Dánsko. Ale zbývajících 20% je recyklováno. Protože jejich opětovné použití není ekonomicky proveditelné. Ale ve velmi blízké budoucnosti si myslím, že do dvou let bude muset být sešrotováno asi 80 %, protože je méně místa pro použité turbíny a nové větší turbíny jsou mnohem konkurenceschopnější.
Wim Robbertesen
Výkonný ředitel, Business in Wind
Dnes ty lopatky, které se znovu nepoužívají nebo nespalují, ideálně pro rekuperaci energie, končí na skládce. Tato fotografie byla pořízena ve Spojených státech a stala se symbolem jedné z temných stránek obnovitelných zdrojů energie po celém světě.
Pouze čtyři evropské země zakázaly takové „turbínové hřbitovy“: Německo, Rakousko, Nizozemsko a Finsko. The Voice of European Wind Energy vyzval k celoevropskému zákazu takových skládek do roku 2025.
Nechceme, aby tyto nože skončily na skládce. Čepele jsou obecně považovány za netoxické a technicky bezpečné pro likvidaci. Jejich ukládání na skládku je však plýtváním cennými zdroji a je neslučitelné se snahou větrného průmyslu o úplnou cirkulaci.
Giles Dixon
CEO WindEurope
Vyrobte větrné lopatky ze 100% recyklovatelných materiálů
Počet společností schopných recyklovat větrné lopatky v Evropě dnes spočítáte na prstech jedné ruky. Technologie ještě nejsou dostatečně vyvinuté a nejsou dostupné v průmyslovém měřítku. Španělský startup pochází z Francie, Portugalska a severní Afriky. Tvrdí, že brzy budou schopni recyklovat 1500 čepelí ročně.
Můžeme odstranit všechny organické materiály, které jsou součástí těchto kompozitů, abychom získali čisté skleněné vlákno, a co je důležitější, uhlíkové vlákno, které můžeme znovu použít. Kde? Spolupracujeme s inovativními společnostmi v celé řadě odvětví, jako je keramika, stavebnictví, doprava včetně automobilů a letectví.
David Romero
Výkonný ředitel Reciclalia
Průmysl větrné energie věří, že výzva k zákazu skládkování v celé EU urychlí rozšíření recyklačních technologií, ale také urychlí růst poptávky po recyklovaných materiálech.
Úsilí je zaměřeno na zvýšení udržitelnosti v celém hodnotovém řetězci od návrhu až po výrobu. Jak to dělá dánský gigant Vestas pro větrnou energii. Konečným cílem je, aby čepel byla 100% recyklovatelná.
Dnes jsou naše čepele recyklovatelné ze 42–43 %. Máme se o co snažit. Ale pokud se ptáte, kdy dosáhneme těch 100 %, myslím, že to nějakou dobu potrvá.
Lisa Ekstrandová
Vedoucí oddělení udržitelnosti ve společnosti Vestas
Ryby pomohou
Průmysl směřuje ke zvýšené produkci, efektivitě a oběhu. Co když uděláme krok zpět a zeptáme se sami sebe, kolik energie skutečně budeme v blízké budoucnosti potřebovat vyrobit a jak? Přesně tuto otázku si klade pařížská laboratoř energií zítřka. A odpovědi začaly přicházet od těchto ryb.
Vždy si představujeme, že energie by měla být vždy vyráběna s nejlepší účinností, maximální účinností nebo maximálním možným výkonem. To se ale v přírodě neděje. Příroda se například při pohybu snaží minimalizovat vznik odpadu. To znamená, že když se zvíře pohybuje, chce se co nejméně unavovat. Klíčovými body pro systém výroby energie proto budou snahy o snížení její spotřeby, což znamená, že tuto spotřebu nebo naše aktivity jako společnosti musíme řídit jinak.
Eric Erber
Pařížská laboratoř energií zítřka
V takovém případě by se snižování odpadu mohlo stát klíčovým ukazatelem pro nalezení lepší rovnováhy mezi životním prostředím, lidskými potřebami, technologií a ekonomikou.
