2015 m. liepos 10 d., penktadienis

Ką apie vėjo energetiką privalo žinoti kiekvienas? Funkcionavimas (1)

Norint suprasti, kaip veikia energetikos sektorius ir tinkamai įvertinti kuris sprendimas ar kuri gamybos priemonė yra geriausia esant tam tikroms sąlygoms, reikia į energetiką žvelgti įvairiais kampais ir ugdyti kritinį mąstymą. Susipažinimas su kiekviena šaka yra neatsiejama to dalis.  Šiam tikslui įgyvendinti VU Jaunųjų energetikų klubas pradeda straipsnių ciklą:

"Ką apie vėjo energetiką privalo žinoti kiekvienas?" Funkcionavimas. Pirmoji dalis

Įvadas


1 pav. Vėjo jėgainių parkas Šiaurės Lietuvoje
Vėjo energetika – tai energetikos rūšis, leidžianti gaminti elektros energiją panaudojant kinetinę oro masių judėjimo energiją. Ši energijos forma yra sietina su saulės energija. Vėjas yra suprantamas kaip rezultatas, nes saulė šildo žemės paviršių netolygiai, šaltas oras maišosi ir juda su šiltesniu bei lengvesniu oru. Oro masių judėjimą į elektros energiją verčia vėjo jėgainės. Jos dažniausiai skirstomos į buitines (skirtas autonominei energijos gamybai ir vietiniam vartojimui) ir pramonines (skirtas dideliems energijos kiekiams pagaminti ir perduoti į elektros tinklą). Šiuolaikinių vėjo elektrinių galia siekia nuo 100 W iki 10 MW ir sparčiai auga toliau.

Vėjo energija yra viena iš tų atsinaujinančios energijos rūšių, kurios pritaikymas bei susidomėjimas ja per pastaruosius kelerius metus didėja. Iš tikrųjų, tai yra viena iš sparčiausiai augančių energetikos technologijų per pastaruosius 20 metų, o augimas sudaro daugiau nei 25% per metus.[1]


Tačiau kaip ir kiekvienas energetikos sektorius, vėjo energetika pasižymi savitais instaliacijos, funkcionavimo ir našumo principais. Todėl nepaisant šio energijos sektoriaus populiarumo ir plėtros, lygindami jį su kitais energijos gamybos būdais, galime atrasti ir nemažai trūkumų. Kyla natūralus klausimas: ar vėjo jėgainės yra geriausias pasirinkimas spręsti energetikos problemas? Norint atsakyti į šį klausimą išsiaiškinsime kaip vėjo energetika veikia.

Vėjo jėgainės fizikinis veikimo principas



2 pav.  Aerodinaminių jėgų poveikis spranuotei .[2]
Kėlimo jėgos vektorius L – statmenas oro srautui.
 Slėgio jėga D – tos pačios krypties kaip ir vėjas.

Skiriami du tradiciniai vėjo jėgainių tipai:
a) naudojančios aerodinaminio slėgio jėgą;
b) naudojančios aerodinaminę kėlimo jėgą.


Mažo greičio turbinos dažniausiai naudoja aerodinaminio slėgio jėgą. Jų rotoriaus menčių apskritiminis greitis būna mažesnis negu vėjo greitis, tačiau rotoriaus sukimo momentas palyginti aukštas.


Didelio greičio turbinos naudoja aerodinaminę kėlimo jėgą. Jų sparnuotės greitis paprastai būna keletą kartų didesnis negu vėjo greitis. Jų sukimo momentas, palyginti su pirmojo tipo rotoriais, yra žemas.

Aerodinaminio kėlimo jėga yra gerai žinoma aviacijoje – ji panaudojama lėktuvui kelti į orą ir jį išlaikyti ore. Tas pats aerodinaminio kėlimo jėgos panaudojimo principas taikomas moderniose vėjo turbinose. Tik šiuo atveju aerodinaminė kėlimo jėga naudojama ne lėktuvui pakelti, bet turbinos rotoriaus mechaninio sukimo momentui išvystyti.

Dažnam iškyla klausimas nuo ko priklauso vėjo jėgainės pagamintas elektros energijos kiekis? Šiuos dydžius iliustruoja 3pav. Įvertinus visus faktoius, kad ir kokia gera būtų tradicinė vėjo jėgainė, ji elektrai gaminti panaudos tik apie 30 - 35% pradinės vėjo energijos. Taip pat, kaip matome, daugiausiai lemiantis veiksnys yra vėjo greitis.[24] Todėl norint plėtoti vėjo energetiką reikia ypatingai atsižvelgti į šį faktorių.


Aerodinaminių jėgų veikimą į vėjo turbinos rotoriaus mentes galima paaiškinti klasikine aerodinaminio profilio teorija. Kai jį “apiplauna” skysčio ar dujų srautas, abipus šio profilio atsiranda skirtingo dydžio ir krypties slėgio jėgų, kurių atstojamosios parodytos 2 pav. Viršutinėje dalyje atsiradusi mažo slėgio oro zona kelia aerodinaminį profilį aukštyn. Apatinėje dalyje – priešingai. Susidariusi aukšto oro slėgio zona kelia aerodinaminį profilį aukštyn.     
3 pav. Vėjo jėgainės galios bendroji formulė. ρ - oro tankis, v - vėjo greitis, A –rotoriaus sukuriamo paviršiaus plotas – skerspjūvis,  μ-  jėgainės naudingumo koeficientas, kuris priklauso nuo  sparnuotės ploto bei tipo, elektros generatoriaus ir t.t. Cp -  Bentz‘o riba – teorinė vertė, kuri nurodo kiek maksimaliai energijos galima išgauti iš vėjo, nes jėgainė pilnai „nesustabdo viso vėjo". Maksimali jos vertė 17/27-ųjų)..[24]




Informaciją parengė: Vilniaus universiteto Jaunųjų energetikų klubas
Henrikas Vaickus
Ignas Kazakevičius

Informaciją leidžiama kopijuoti ir platinti nurodžius VU JEK kaip originalų šaltinį.

Komentarų nėra:

Rašyti komentarą