Windkrachtcentrales: soorten, ontwerpen, voordelen

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Windenergie is verre van een nieuwe tak van energievoorziening, maar onder de huidige omstandigheden worden het steeds meer uitgesproken kenmerken van een veelbelovende richting voor verdere ontwikkeling. Het is nog steeds moeilijk om te praten over universele concepten voor de technische implementatie van windgeneratoren, maar de vooruitgang in het gebruik van individuele technische oplossingen suggereert dat in de nabije toekomst één enkel uniform structureel model zal verschijnen. Tegelijkertijd worden er in de wereld verschillende soorten windturbines gebruikt, die elk hun eigen sterke punten hebben.

Algemeen werkingsprincipe van windturbines

Zoals de meeste moderne alternatieve energiebronnen, werkt de windturbine vanwege de kracht die het resultaat is van een natuurlijk proces. We hebben het over windstromen als gevolg van ongelijke verwarmingaardoppervlak door de zon. Vrijwel alle windturbines werken volgens het volgende principe: luchtstromen laten het wiel draaien op een speciale as met wieken, waardoor koppel wordt overgebracht op de generator of het batterijpakket. In omstandigheden van stabiliteit en voldoende kracht van luchtbeweging, kunnen windmolens voor het opwekken van elektriciteit een efficiëntie van 45-50% leveren. Het is precies de variabiliteit van de wind en zijn kracht die bepalend is voor de grote verscheidenheid aan ontwerpen van windturbines, die ook worden berekend op basis van specifieke klimatologische gebruiksomstandigheden.

Wat zijn de belangrijkste voordelen van windturbines?

Evalueer de efficiëntie van windturbines zowel in vergelijking met traditionele energiebronnen als tegen de achtergrond van generatoren die draaien op hernieuwbare gratis bronnen. De meest uitgesproken voordelen van dergelijke systemen, die hoop geven op een succesvolle ontwikkeling in de toekomst, zijn de volgende factoren:

• Windenergie zelf is niet alleen hernieuwbaar, maar ook beschikbaar voor accumulatie en verwerking.
• Economisch voordeel. Ondubbelzinnige beoordelingen met betrekking tot specifieke economische indicatoren kunnen nog niet worden veroorzaakt door de verscheidenheid aan systemen die met verschillende prestaties werken. Maar we kunnen praten over de uitstekende resultaten die door individuele projecten zijn aangetoond. Hoeveel kost bijvoorbeeld een kilowatt elektriciteit van een grote offshore windmolen? We kunnen praten over het bereik van 2-12 roebel. voor 1 kWh.
• Milieuvriendelijk. De werking van windturbines zorgt niet voor schadelijkeluchtverontreinigende emissies.
• Compact. Het plaatsen van een windturbine, zelfs in industrieel formaat, is niet te vergelijken met traditionele elektriciteitscentrales. Dit is grotendeels te danken aan de autonomie en onafhankelijkheid van dergelijke systemen van ondersteunende communicatie en bronnen.

Horizontale asgeneratoren

Het ontwerpschema van dergelijke windmolens voorziet in de aanwezigheid van een elektrische generator, versnellingsbak, bladen en een toren met een frame. De configuratie van de bladen is zo uitgevoerd dat de lucht in de trechter stroomt, waardoor een torsiemoment ontstaat. Een belangrijke voorwaarde voor de werking van dergelijke windmolens voor het opwekken van elektriciteit is het vermogen om zich aan te passen aan de kenmerken van de beweging van stromen (richting en sterkte). Hiervoor zijn de constructies voorzien van mechanismen voor het draaien en kantelen van de wieken ten opzichte van het aardoppervlak. In de meest geavanceerde modellen worden ook controllers met automatische besturing gebruikt. Wat betreft de implementatie van het windwiel, wordt de configuratie met drie bladen vaker gebruikt in horizontale schema's. Bovendien hebben ingenieurs, om de prestaties van generatoren te verhogen, de neiging om de grootte van het functionele ontvangende deel te vergroten, wat bijvoorbeeld de huidige trend van overgang van plastic en lichte metalen naar dure composietelementen bij de vervaardiging van constructies verklaart.

Verticale as generatoren

Dergelijke generatoren hebben een aanzienlijk voordeel ten opzichte van horizontale constructies,die erin bestaat dat er geen behoefte is aan extra middelen voor het bewaken en besturen van de installatie. Dat wil zeggen, tijdens het bedrijf past een windmolen met een verticale as zich op geen enkele manier aan de beweging van stromen aan. Dit kenmerk van interactie met luchtmassa's vermindert tegelijkertijd de spanning in de bladen van de windgenerator en vermindert de gyroscopische belastingen. De tandwielgenerator, die de motor van de fabriek vormt, kan aan de voet van de constructietoren worden geplaatst zonder het risico van schade of storing. Maar waarom, met de beschreven voordelen, vervingen verticale installaties niet volledig horizontale windmolens? Helaas hebben deze modellen ook belangrijke nadelen. Aangezien het windwiel niet wordt geleid door windstromen en altijd in een smal bereik van energieopvangbereiken werkt, wordt de prestatie van de generator logischerwijs verminderd. Om voldoende kracht van verticale windmolens te behouden, is daarom massaal gebruik van grote oppervlakken vereist, wat niet altijd mogelijk is.

Ontwerpen gebaseerd op de Darrieus-rotor

Windturbinegeneratoren met verticale waaier zijn gebaseerd op het Savonius- of Darrieus-rotorontwerp. Maar deze groep heeft ook zijn eigen variaties en moderne aanpassingen. De meest veelbelovende recente ontwikkeling is de Gorlov-helikopterturbine, gemaakt in 2001. Het is een soort voortzetting van het Darrieus-rotorconcept, maar in een meer geoptimaliseerde vorm. Met spiraalvormige verticale bladen kan met minimale activiteit energie worden opgewekt uit water- en luchtstromen. Vandaag deze generatorenworden zowel in gespecialiseerde windparken als als onderdeel van waterkrachtcentrales gebruikt.

Windgeneratoren met fluxversterkers

Ook in zekere zin een voortzetting van de klassieke ontwerpen van windmolens, maar aangepast aan de huidige hightech bedrijfsomstandigheden. Aanpassingen met stroomversterkers onderscheiden zich door de aanwezigheid van één of meerdere goten, die zijn ontworpen om luchtstromen te concentreren. Aerodynamische kegelvormige elementen in de vorm van diezelfde goten verzamelen stromen over een groot gebied, oriënteren ze naar één richtingspunt en verhogen daardoor de snelheid van het schoepensysteem. De moeilijkheid van het gebruik van windturbines met fluxversterkers is dat ze het gebruik van een extra elementaire groep vereisen. Bovendien is het in dergelijke systemen alleen mogelijk om een significante productiviteitsverhoging te bereiken door hulpenergiebronnen aan te sluiten, wat economisch niet altijd verantwoord is.

Gearless windturbines

In lijn met het idee van structurele optimalisatie is er ook een variant van een windenergiecentrale zonder versnellingsbak verschenen. In plaats daarvan wordt een ringvormig kanaal gebruikt, voorzien van een interne metalen staaf. Deze ring wordt om de rotorrand gemonteerd. Hier bevindt zich ook een groep magneten, die samenwerkt met een metalen staaf en zo bijdraagt aan het genereren van stroom. Het vermogen van windturbines zonder tandwielkast met een rotordiameter van ongeveer 200 cm kan oplopen tot 1500 kWhin jaar. Het belangrijkste voordeel van dit ontwerp is de vermindering van energieverliezen die van nature optreden bij de werking van generatoren die zijn voorzien van tandwielkasten. Maar voor dit voordeel moet je betalen met snelheidsbeperkingen. Om de unit in een optimale workflow te laten komen, is een stroomsnelheid van minimaal 2 m/s vereist.

Kenmerken van industriële windturbines

Industriële windmolens hebben twee fundamentele verschillen: groot formaat en hoog vermogen. Zowel voor- als nadelen van stations van dit type vloeien voort uit deze kenmerken. Wat de structuur betreft, volstaat het om te zeggen dat de hoogte van moderne industriële windmolens 150-200 m kan bereiken en dat de spanwijdte van het blad meer dan 100 m kan zijn. High power vereist ook de complexiteit van de functionele infrastructuur. Om het proces van energieomzetting te regelen, worden dus windgeneratorcontrollers gebruikt, die ervoor zorgen dat rekening wordt gehouden met de huidige lading van het batterijpakket. Bovendien omvat de elektrische vulling van dergelijke installaties omvormers en kortsluitbeveiligingssystemen.

Kenmerken van huishoudelijke windturbines

De eenvoudigste windmolens kunnen niet alleen thuis worden gebruikt, maar ook met de hand worden geassembleerd. In de regel zijn dit kleine installaties met een hoogte van niet meer dan 10 m, die kunnen werken met een vermogen van 0,5-5 kW. Als passieve energiebron voor huishoudelijke apparatenof individuele groepen elektrische apparaten, rechtvaardigt deze optie zichzelf. Compacte windturbines worden tegenwoordig echter in grote aantallen gebruikt door grote bedrijven om productiefaciliteiten aan te drijven. Op basis van mini-windmolenparken worden voldoende productieve en betrouwbare systemen gevormd die kunnen concurreren met krachtige enkelvoudige generatoren.

Kenmerken van offshore windturbines

De populariteit van dit type windmolens is te danken aan verschillende voordelen ten opzichte van stations die zich op het land bevinden. Het gaat daarbij vooral om stabielere arbeidsomstandigheden, aangezien de windstromen niet worden belemmerd vanaf de kustlijn. Tegelijkertijd zijn de constructies van offshore windturbines verdeeld in twee groepen: ondersteunend en drijvend. De eerste zijn geïnstalleerd in ondiep water met een klassieke ondersteuning in de grond onder water. Drijvende stations hebben respectievelijk hun eigen drijvend platform met bevestiging door middel van ankers en andere maritieme apparaten.

Combinatie van windturbineconstructies met bouwframes

Er is ook een veelbelovende groep windmolens die letterlijk geïntegreerd zijn in de rompen van hoogbouw. Deze oplossing heeft twee voordelen: gunstige voorwaarden voor de "ontvangst" van stromen en een vermindering van het pad van levering van elektriciteit, aangezien de uiteindelijke leveringsbron meestal de consumenten in het gebouw zijn. Op dit moment wordt de integratie van dit type windturbines vaker gedaan met behulp vanspeciale aerodynamische cilinders die op de daken van wolkenkrabbers zijn gemonteerd. Ook wordt het concept van mini-propellers ontwikkeld, die in elk deel van een hoge bouwplaats kunnen worden geplaatst. De apparaten worden letterlijk in de muren geïntegreerd, waarna ze worden aangesloten op het algemene stroomnet, waardoor een kleine maar stabiele hoeveelheid energie wordt afgegeven.

Conclusie

De afgelopen jaren is de belangstelling voor windturbines in Rusland aanzienlijk toegenomen. In verschillende regio's worden periodiek grote stations met een vermogen tot 30-50 MW in gebruik genomen. Voor ons land zijn windmolens vooral nuttig omdat ze ons in staat stellen energie te leveren aan afgelegen gebieden waar het momenteel niet mogelijk is om andere vormen van energievoorziening te organiseren. Ook het segment van kleine windenergiecentrales ontwikkelt zich actief. In Rusland zijn individuele stroomsystemen met een vermogen van 1-5 kW erg populair geworden. Tegelijkertijd weigeren ontwikkelaars niet om de werkingsprincipes van windmolens te combineren met verbrandingsmotoren. Successen in deze richting worden met name aangetoond door wind-dieselontwerpen. Het is nog moeilijk te zeggen hoeveel windenergie er de komende decennia in Rusland gevraagd zal worden, aangezien de posities van traditionele energiebronnen nog sterk zijn. Maar de trends in de overgang naar alternatieve energie over de hele wereld zullen de Russische industrie waarschijnlijk aansporen om dergelijke gebieden actief te verkennen.