תחנות כוח רוח: סוגים, עיצובים, יתרונות

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

אנרגיית הרוח רחוקה מלהיות ענף חדש של אספקת אנרגיה, אולם, בתנאים הנוכחיים, היא הופכת יותר ויותר למאפיינים בולטים של כיוון מבטיח להמשך פיתוח. עדיין קשה לדבר על מושגים אוניברסליים ליישום טכני של גנרטורים רוח, אבל ההתקדמות בשימוש בפתרונות הנדסיים בודדים מעידה על כך שמודל מבני אחד מאוחד יופיע בעתיד הקרוב. במקביל, משתמשים בעולם בכמה סוגים של טורבינות רוח, שלכל אחת מהן יתרונות משלה.

עקרון תפעול כללי של טורבינות רוח

כמו רוב מקורות האנרגיה החלופיים המודרניים, טורבינת הרוח פועלת בשל הכוח הפועל כתוצאה מתהליך טבעי. אנחנו מדברים על זרימות רוח הנובעות מחימום לא אחידפני כדור הארץ על ידי השמש. כמעט כל טורבינות הרוח פועלות על פי העיקרון הבא: זרימות אוויר מסובבות את הגלגל על פיר מיוחד עם להבים, ובכך מעבירות מומנט לגנרטור או לסוללות. בתנאים של יציבות וכוח מספיק של תנועת אוויר, טחנות רוח לייצור חשמל מסוגלות לספק יעילות של 45-50%. דווקא השונות של הרוח וחוזקה הם שקובעים את המגוון הרחב של עיצובים של טורבינות רוח, המחושבים גם על סמך תנאי שימוש אקלימיים ספציפיים.

מהם היתרונות העיקריים של טורבינות רוח?

הערכת היעילות של טורבינות רוח יכולה להיות הן בהשוואה למקורות אנרגיה מסורתיים, והן על רקע גנרטורים הפועלים על משאבים מתחדשים בחינם. היתרונות הבולטים ביותר של מערכות כאלה, שנותנות תקווה לפיתוח מוצלח שלהן בעתיד, הם הגורמים הבאים:

• אנרגיית הרוח עצמה לא רק מתחדשת, אלא גם זמינה לצבירה ועיבוד.
• תועלת כלכלית. הערכות חד משמעיות לגבי אינדיקטורים כלכליים ספציפיים עדיין לא יכולות לנבוע ממגוון המערכות הפועלות בביצועים שונים. אבל אנחנו יכולים לדבר על התוצאות המצטיינות שהפגינו פרויקטים בודדים. לדוגמה, כמה עולה קילוואט חשמל מטחנת רוח בים גדולה? אנחנו יכולים לדבר על טווח של 2-12 רובל. עבור 1 קילוואט-שעה.
• ידידותי לסביבה. ההפעלה של טורבינות רוח אינה מספקת מזיקפליטת מזהמי אוויר.
• קומפקטי. התקנת טורבינת רוח, אפילו במתכונת תעשייתית, אינה ניתנת להשוואה לתחנות כוח מסורתיות. הדבר נובע בעיקר מהאוטונומיה והעצמאות של מערכות כאלה מתקשורת ומשאבים נלווים.

מחוללי ציר אופקי

סכימת העיצוב של טחנות רוח כאלה מספקת נוכחות של גנרטור חשמלי, תיבת הילוכים, להבים ומגדל עם מסגרת. תצורת הלהבים מיושמת באופן שהאוויר זורם לתוך המשפך, מה שיוצר רגע פיתול. תנאי חשוב להפעלת טחנות רוח כאלה לייצור חשמל הוא היכולת להסתגל למאפייני תנועת הזרימות (כיוון וחוזק). לשם כך מסופקים המבנים במנגנונים להפיכה והטיה של הלהבים ביחס לפני השטח של כדור הארץ. בדגמים המתקדמים ביותר משתמשים גם בבקרים עם שליטה אוטומטית. באשר ליישום גלגל הרוח, תצורת שלושת הלהבים משמשת לעתים קרובות יותר בתוכניות אופקיות. יתרה מכך, על מנת להגביר את הביצועים של גנרטורים, מהנדסים נוטים להגדיל את גודל החלק הקולט הפונקציונלי, מה שמסביר, למשל, את המגמה הנוכחית של מעבר מפלסטיק ומתכות קלות לאלמנטים מרוכבים יקרים בייצור מבנים.

גנרטורים אנכיים של ציר

לגנרטורים כאלה יש יתרון משמעותי על פני מבנים אופקיים,המורכבת בהיעדר צורך באמצעים נוספים לניטור ובקרה על המתקן. כלומר, בתהליך הפעולה, טחנת רוח בעלת ציר אנכי אינה מתאימה בשום אופן לתנועת הזרימות. תכונה זו של אינטראקציה עם מסות אוויר מפחיתה בו זמנית את המתח בלהבי מחולל הרוח ומפחיתה עומסים ג'ירוסקופיים. הגנרטור בעל הילוכים, המהווה את המנוע של המפעל, יכול להיות ממוקם בבסיס מגדל המבנה ללא סיכון של נזק או כשל. אבל מדוע, עם היתרונות המתוארים, מתקנים אנכיים לא החליפו טחנות רוח אופקיות לחלוטין? למרבה הצער, לדגמים הללו יש גם חסרונות משמעותיים. מכיוון שגלגל הרוח אינו מונחה על ידי זרימות רוח ופועל תמיד בטווח צר של טווחי לכידת אנרגיה, ביצועי הגנרטור מופחתים באופן הגיוני. לכן, כדי לשמור על כוח מספיק של טחנות רוח אנכיות, נדרש שימוש המוני שלהן המכסה שטחים גדולים, מה שלא תמיד אפשרי.

עיצובים המבוססים על הרוטור של דאריאוס

גנרטורים של טורבינות רוח עם אימפלר אנכי מבוססים על עיצוב הרוטור של Savonius או Darrieus. אבל לקבוצה זו יש גם וריאציות משלה ושינויים מודרניים. הפיתוח המבטיח ביותר לאחרונה הוא הטורבינה ההליקואידית של Gorlov, שנוצרה בשנת 2001. היא מעין המשך לקונספט הרוטור של דאריאוס, אבל בצורה אופטימלית יותר. להבים אנכיים ספירליים מאפשרים להפיק אנרגיה מזרימות מים ואוויר במינימום פעילות. היום הגנרטורים האלהמשמשים הן בחוות רוח מיוחדות והן כחלק מתחנות כוח הידרואלקטריות.

גנרטורים רוח עם מגברי שטף

כמו כן, בדרך כלשהי, המשך לעיצובים הקלאסיים של טחנות רוח, אך מותאם לתנאי ההפעלה ההיי-טקיים הנוכחיים. שינויים עם מגברי זרימה נבדלים על ידי נוכחות של מרזבים אחד או יותר, אשר נועדו לרכז זרימות אוויר. אלמנטים אווירודינמיים בצורת חרוט בצורת אותם מרזבים אוספים זרימות על פני שטח גדול, מכוונים אותם לנקודת כיוון אחת ובכך מגבירים את מהירות מערכת הלהבים. הקושי בשימוש בטורבינות רוח עם מגברי שטף הוא שהן דורשות שימוש בקבוצת אלמנטים נוספת. יתרה מכך, ניתן להגיע לעלייה משמעותית בפריון במערכות כאלה רק על ידי חיבור מקורות אנרגיה עזר, מה שלא תמיד מוצדק מבחינה כלכלית.

טורבינות רוח ללא הילוך

בהתאם לרעיון של אופטימיזציה מבנית, הופיעה גם גרסה של תחנת כוח רוח ללא תיבת הילוכים. במקום זאת, נעשה שימוש בתעלה טבעתית, המסופקת במוט מתכת פנימי. טבעת זו מותקנת סביב שפת הרוטור. גם כאן ממוקמת קבוצת מגנטים, המקיימת אינטראקציה עם מוט מתכת, ובכך תורמת ליצירת זרם. הביצועים של טורבינות רוח ללא תיבת הילוכים בקוטר רוטור של כ-200 ס"מ יכולים להגיע ל-1500 קוט"שבשנה. היתרון העיקרי של עיצוב זה הוא הפחתת הפסדי אנרגיה המתרחשים באופן טבעי בפעולת גנרטורים המסופקים עם תיבות הילוכים. אבל אתה צריך לשלם על היתרון הזה עם הגבלת מהירות. על מנת שהיחידה תיכנס לזרימת עבודה אופטימלית, נדרשת מהירות זרימה של לפחות 2 מ'/שנייה.

תכונות של טורבינות רוח תעשייתיות

לטחנות רוח תעשייתיות יש שני הבדלים מהותיים - גודל גדול והספק גבוה. גם היתרונות וגם החסרונות של תחנות מסוג זה נובעים מתכונות אלו. באשר למבנה, די לומר שגובהן של טחנות רוח תעשייתיות מודרניות יכול להגיע ל-150-200 מ', וטווח הלהבים יכול להיות יותר מ-100 מ'. הספק גבוה דורש גם את המורכבות של התשתית הפונקציונלית. לכן, כדי לשלוט בתהליך של המרת האנרגיה, משתמשים בבקרים של מחולל רוח, המבטיחים שהטעינה הנוכחית של ערכת הסוללות נלקחת בחשבון. בנוסף, המילוי החשמלי של מתקנים כאלה כולל ממירים ומערכות הגנה מפני קצר חשמלי.

תכונות של טורבינות רוח ביתיות

ניתן להשתמש בטחנות הרוח הפשוטות ביותר לא רק בבית, אלא גם להרכיב אותן ביד. ככלל, מדובר במתקנים קטנים בגובה של לא יותר מ-10 מ', המסוגלים לפעול בהספק של 0.5-5 קילוואט. כמקור אנרגיה פסיבי למכשירי חשמל ביתייםאו קבוצות בודדות של מכשירים חשמליים, אפשרות זו מצדיקה את עצמה. עם זאת, טורבינות רוח קומפקטיות משמשות כיום בכמות גדולה על ידי חברות גדולות להנעת מתקני ייצור. על בסיס חוות מיני-טחנות רוח נוצרות מערכות פרודוקטיביות ואמינות מספיק שיכולות להתחרות עם גנרטורים בודדים בעלי הספק גבוה.

תכונות של טורבינות רוח מהחוף

הפופולריות של סוג זה של טחנות רוח נובעת מכמה יתרונות על פני תחנות הממוקמות ביבשה. מדובר בעיקר בתנאי עבודה יציבים יותר, מאחר שזרימות הרוח אינן חוסמות הרחק מקו החוף. במקביל, מבנים של טורבינות רוח ימיות מחולקים לשתי קבוצות - תומכות וצפות. הראשונים מותקנים במים רדודים עם תמיכה קלאסית באדמה מתחת למים. לתחנות צפות, בהתאמה, יש פלטפורמה צפה משלהן עם קיבוע באמצעות עוגנים והתקנים ימיים אחרים.

שילוב של מבני טורבינות רוח עם מסגרות בניין

יש גם קבוצה מבטיחה מאוד של טחנות רוח שמשולבות ממש בגוף של בניינים רבי קומות. לפתרון זה שני יתרונות - תנאים נוחים ל"קליטה" של זרימות והפחתה במסלול אספקת החשמל, שכן מקור האספקה הסופי הוא לרוב הצרכנים בתוך המבנה. נכון לעכשיו, שילוב של טורבינות רוח מסוג זה נעשה לעתים קרובות יותר באמצעותצילינדרים אווירודינמיים מיוחדים המורכבים על גגות גורדי שחקים. כמו כן, מפתחים את הרעיון של מיני מדחפים, אותם ניתן למקם בכל חלק באתר בנייה גבוה. המכשירים ממש משולבים בקירות, ולאחר מכן הם מחוברים למערכת אספקת החשמל הכללית, נותנים כמות קטנה אך יציבה של אנרגיה.

מסקנה

בשנים האחרונות, העניין בטורבינות רוח גדל באופן משמעותי ברוסיה. תחנות גדולות בעלות קיבולת של עד 30-50 מגוואט מופעלות מעת לעת באזורים שונים. עבור ארצנו, טחנות רוח שימושיות במיוחד מכיוון שהן מאפשרות לנו לספק אנרגיה לאזורים מרוחקים שבהם אין כרגע אפשרות לארגן אמצעי אספקת אנרגיה אחרים. הפלח של תחנות כוח רוח קטנות מתפתח גם הוא באופן פעיל. ברוסיה, מערכות חשמל בודדות עם קיבולת של 1-5 קילוואט הפכו פופולריות מאוד. יחד עם זאת, מפתחים אינם מסרבים לשלב את עקרונות הפעולה של טחנות רוח עם מנועי בעירה פנימית. הצלחות בכיוון זה מוצגות, במיוחד, על ידי עיצובי רוח-דיזל. עדיין קשה לומר כמה אנרגיית רוח תהיה מבוקשת ברוסיה בעשורים הקרובים, שכן עמדותיהם של מקורות האנרגיה המסורתיים עדיין חזקות. אבל המגמות במעבר לאנרגיה חלופית ברחבי העולם עשויות לדרבן את התעשייה הרוסית לחקור באופן פעיל אזורים כאלה.