Kas slypi už tų besisukančių mentėlių
Kai važiuojate pro laukus ir matote tuos milžiniškus baltus bokštus su lėtai besisukančiomis mentėmis, turbūt susimąstote – kaip gi tas vėjas tampa elektra jūsų namuose? Vėjo generatorius, arba kaip jį dar vadina – vėjo turbina, iš pirmo žvilgsnio atrodo paprasta: vėjas pučia, mentelės sukasi, elektra teka. Bet tikrovėje tai gana sudėtingas inžinerinis kūrinys, kuriame susipina mechanika, elektrotechnika ir net meteorologija.
Pats principas tikrai nėra naujas. Žmonės vėjo energiją naudoja jau tūkstančius metų – nuo malūnų, kurie malė grūdus, iki laivų burių. Tačiau elektros gamyba iš vėjo – tai jau XX amžiaus išradimas, kuris per pastaruosius dešimtmečius patyrė tikrą revoliuciją. Šiuolaikinės vėjo turbinos yra technologiniai stebuklai, kurie gali aprūpinti elektra tūkstančius namų.
Nuo vėjo gūsio iki elektros lizde
Viskas prasideda nuo oro masių judėjimo – tai ir yra vėjas. Kai vėjas pučia į turbinos menteles, vyksta kažkas panašaus į tai, kas vyksta su lėktuvo sparnais. Mentelės nėra tiesiog plokščios plokštės – jos turi specialią aerodinaminę formą, kuri vadinama profiliu. Viena mentelės pusė yra išgaubta, kita – plokštesnė. Kai oras teka aplink mentelę, virš išgaubtos pusės jis juda greičiau, o tai sukuria žemesnį slėgį. Dėl šio slėgių skirtumo atsiranda keliamoji jėga, kuri stumia mentelę į priekį.
Trys mentelės (kartais dvi, bet dažniausiai trys) yra pritvirtintos prie rotoriaus – tai ta dalis, kuri sukasi. Rotorius savo ruožtu sujungtas su velenu, kuris eina į turbinos viršuje esančią gondolą. Štai čia ir prasideda tikrasis “magija”. Gondoloje yra pavarų dėžė, kuri padidina apsisukimų skaičių. Matote, mentelės sukasi gana lėtai – didelės turbinos atveju gal 10-20 apsisukimų per minutę. Bet elektros generatoriui reikia daug greitesnio sukimosi – kelių šimtų ar net tūkstančių apsisukimų per minutę.
Pavarų dėžė padidina sukimosi greitį maždaug 50-100 kartų. Tai panašu kaip dviračio pavarų sistema, tik daug galingesnė. Po pavarų dėžės jau seka pats generatorius – didelė elektromagnetinė mašina, kuri mechaninį sukimąsi paverčia elektros srove. Principas čia toks pat kaip ir bet kuriame generatoriuje: sukasi magnetai aplink varinių laidų ritę (arba atvirkščiai), ir dėl elektromagnetinės indukcijos atsiranda elektros srovė.
Kodėl turbinos tokios aukštos ir didžiulės
Gal pastebėjote, kad vėjo turbinos vis didėja? Tai ne atsitiktinumas. Aukštis čia turi milžinišką reikšmę. Kuo aukščiau nuo žemės, tuo vėjas stipresnis ir stabilesnis. Prie žemės paviršiaus vėją stabdo medžiai, pastatai, kalvos – visa tai sukuria turbulenciją ir sulėtina oro srautus. O štai 100-150 metrų aukštyje vėjas pučia daug lygiau ir stipriau.
Šiuolaikinės turbinos bokštai siekia 80-150 metrų aukštį, o kai kurios jūrinės turbinos – net daugiau. Mentelių ilgis taip pat įspūdingas – nuo 40 iki 80 metrų kiekviena. Kodėl tokios ilgos? Čia veikia fizikos dėsnis: kuo didesnė plotas, kurį užima mentelės, tuo daugiau vėjo energijos jos gali “sugauti”. Energijos kiekis auga proporcingai ploto kvadratui, todėl padvigubinus mentelės ilgį, gaunama keturis kartus daugiau energijos.
Bet negalima daryti begalinių mentelių. Jos turi atlaikyti didžiulius krūvius – vėjo spaudimą, savo svorį, centrinę jėgą besisukant. Viena mentelė gali sverti 10-20 tonų, o pagaminta ji iš kompozitinių medžiagų – stiklo pluošto ar anglies pluošto su epoksidine derva. Tai tos pačios medžiagos, iš kurių gamina lėktuvų dalis ar sportines valtis.
Kaip turbina žino, kur pasisukti
Įdomu tai, kad visa gondola – ta didelė dėžė viršuje su generatoriumi ir pavarais – gali suktis horizontaliai. Tai būtina, nes vėjas nuolat keičia kryptį. Turbina turi būti atsukta į vėją, kad mentelės gautų maksimalų oro srautą.
Gondolos gale yra vėjarožė ir anemometras (vėjo greičio matuoklis). Šie prietaisai nuolat stebi vėjo kryptį ir greitį. Kai vėjas pakeičia kryptį daugiau nei keliais laipsniais, įsijungia specialūs varikliai – jie vadinama orientavimo mechanizmu. Šie varikliai lėtai pasuka visą gondolą reikiama kryptimi. Procesas nėra greitas – pilnas 360 laipsnių apsisukimas gali užtrukti kelias minutes, bet ir nereikia greitesnio, nes vėjo kryptis taip staigiai nesikeičia.
Dar viena protinga sistema – mentelių kampo reguliavimas. Kiekviena mentelė gali būti pasukta aplink savo ašį. Kai vėjas silpnas, mentelės nustatomos taip, kad “pagautų” kuo daugiau vėjo. Kai vėjas per stiprus (pavyzdžiui, audros metu), mentelės pasukamos į tokią poziciją, kad oras laisvai prateka pro jas nesukdamas turbinos. Tai apsaugo įrangą nuo pažeidimų. Kai kurios turbinos esant labai stipriam vėjui (daugiau nei 25 m/s) visai sustoja – mentelės pasukamos “į vėją” ir užsifiksuoja.
Elektros kelionė iš gondolos į tinklą
Generatorius gondoloje gamina kintamą trifazę srovę, bet jos parametrai dar netinkami tiekti į elektros tinklą. Dažnis ir įtampa gali svyruoti priklausomai nuo vėjo stiprumo ir turbinos sukimosi greičio. Todėl elektra pirmiausia nukeliauja į keitiklį (inverterį), kuris yra arba gondoloje, arba bokšto apačioje.
Keitiklis pirmiausia paverčia kintamą srovę į nuolatinę, o paskui vėl į kintamą, bet jau su stabiliais parametrais – 50 Hz dažniu ir reikiama įtampa (paprastai 690 V). Tai panašu kaip jūsų kompiuterio maitinimo blokas, tik daug galingesnis. Po to elektra transformatoriumi padidinamos įtampos (iki 10-35 kV) ir siunčiama į elektros tinklą.
Vėjo parke visos turbinos sujungtos kabeliais, kurie dažnai eina po žeme. Elektra iš visų turbinų surenka į vieną transformatorinę, kur įtampa dar kartą padidinama iki 110-330 kV ir tiekiama į bendrą elektros tinklą. Tokia aukšta įtampa reikalinga, kad elektra galėtų keliauti dideliais atstumais su minimaliomis nuostoliais.
Smulkiosios turbinos protingoms sistemoms
Šiuolaikinė vėjo turbina – tai ne tik mechanika ir generatorius. Tai sudėtinga kompiuterizuota sistema su daugybe jutiklių ir valdymo įrenginių. Gondoloje yra visa kompiuterių sistema, kuri nuolat stebi šimtus parametrų: vėjo greitį ir kryptį, mentelių kampą, generatoriaus temperatūrą, vibraciją, pavarų dėžės alyvos būklę, elektros parametrus ir dar daug ko.
Visa ši informacija realiuoju laiku siunčiama į valdymo centrą, kur operatoriai gali stebėti visų vėjo parko turbinų būklę. Sistema automatiškai reguliuoja turbinos darbą, kad būtų gaunama maksimali galia esant konkrečioms sąlygoms. Jei pastebima kokia nors problema – pavyzdžiui, padidėjusi vibracija ar neįprasta temperatūra – sistema gali automatiškai sustabdyti turbiną ir išsiųsti perspėjimą technikams.
Modernios turbinos turi net apšildymo sistemas mentelėms – žiemą ant jų gali susidaryti ledas, kuris ne tik sumažina efektyvumą, bet ir pavojingas, nes nukrisdamas gali skrieti šimtus metrų. Yra ir žaibų apsauga – specialūs laidininkai mentelėse ir bokšte, kurie saugiai nukreipia žaibo energiją į žemę.
Kiek gi tos elektros pagamina
Turbinos galia matuojama megavatais (MW). Nedidelės sausumos turbinos gamina 2-3 MW, vidutinės – 3-5 MW, o didžiausios jūrinės turbinos jau pasiekė 12-15 MW galią. Bet kas tai reiškia praktiškai?
Viena 3 MW turbina per metus gali pagaminti apie 6-9 milijonus kilovatvalandžių (kWh) elektros – tai priklauso nuo vietovės vėjuotumo. Vidutinis namų ūkis per metus suvartoja apie 3000-4000 kWh, taigi viena tokia turbina gali aprūpinti maždaug 1500-2500 namų. Žinoma, tai teorinis skaičiavimas, nes turbina negamina elektros visą laiką vienodai – kartais vėjas stipresnis, kartais silpnesnis, o kartais jo visai nėra.
Turbinos efektyvumas – tai kitas svarbus rodiklis. Teoriškai maksimalus efektyvumas, kurį galima pasiekti išgaunant energiją iš vėjo, yra apie 59% (tai vadinama Betzo riba). Šiuolaikinės turbinos pasiekia 45-50% efektyvumą, kas yra tikrai įspūdinga. Palyginimui, vidaus degimo variklis pasiekia tik apie 25-30% efektyvumą.
Turbinos tarnavimo laikas – apie 20-25 metai. Per tą laiką ji pagamina daug daugiau energijos, nei buvo sunaudota ją pagaminti, pastatyti ir vėliau utilizuoti. Energijos atsipirkimo laikas – tai kiek laiko turbina turi veikti, kad pagamintų tiek energijos, kiek buvo sunaudota ją sukurti – paprastai yra tik 6-12 mėnesių.
Ką reikia žinoti norint turėti savo turbinėlę
Gal kai kas galvojate – o gal man pastatyt nedidelę turbinėlę prie namų? Teoriškai tai įmanoma, bet praktiškai yra daug niuansų. Mažos namų turbinos (1-10 kW galios) tikrai egzistuoja ir veikia, bet jos apsimoka tik tam tikromis sąlygomis.
Pirmiausia reikia vėjo. Ne bet kokio, o stabilaus ir pakankamai stipraus. Jūsų vietovėje vidutinis metinis vėjo greitis turėtų būti bent 5-6 m/s, o geriau 7-8 m/s. Tai galite pasitikrinti vėjo atlasų žemėlapiuose. Antra – turbinai reikia aukščio. Mažą turbinėlę ant 10 metrų stiebo pastatyti prie namo, apsuptu medžių, yra beveik beprasmiška – vėjas ten bus per silpnas ir turbulentiškas.
Trečia – kaina. Maža namų turbina su visu įrengimu gali kainuoti 5000-15000 eurų. Atsipirkimo laikas gali būti 10-20 metų, priklausomai nuo vietovės vėjuotumo ir elektros kainos. Ketvirtą – triukšmas ir vibracija. Net maža turbina sukelia tam tikrą triukšmą, kuris gali trukdyti jums ir kaimynams. Ir pagaliau – leidimai. Daugelyje vietų reikia gauti statybos leidimą ir suderinti su kaimynais.
Jei vis tiek norite eksperimentuoti, geriau pradėti nuo visai mažų turbinėlių – 400-1000 W galios. Jos gali būti naudingos karavanuose, valtyse, nuošaliuose sodų nameliuose, kur nėra elektros tinklo. Tokia turbinėlė kartu su saulės baterijomis gali sudaryti neblogą autonominį energijos šaltinį.
Vėjo energijos ateitis ir kas laukia toliau
Vėjo energetika sparčiai auga visame pasaulyje. Turbinos darosi vis didesnės, efektyvesnės ir pigesnės. Jūrinės vėjo elektrinės – tai nauja kryptis, kur vėjas pučia stipriau ir stabiliau nei sausumoje. Jau statomos plaukiojančios vėjo turbinos giliame vandenyje, kur neįmanoma pastatyti tradicinio pagrindo.
Ateityje turbinos taps dar protingesnės. Dirbtinis intelektas padės tiksliau prognozuoti vėjo sąlygas ir optimizuoti turbinų darbą. Naujos medžiagos leis gaminti lengvesnes ir tvirčias menteles. Galbūt pasirodys ir visai nauji turbinų dizainai – pavyzdžiui, vertikalios ašies turbinos, kurios gali veikti bet kokia vėjo kryptimi ir užima mažiau vietos.
Vėjo energija kartu su saulės energija tampa pagrindiniais atsinaujinančios energijos šaltiniais. Nors vėjas ir nepučia visada, modernios energijos kaupimo sistemos – didžiulės baterijos ar kitos technologijos – padeda išspręsti šią problemą. Vėjo turbinos jau dabar kai kur gamina elektrą pigiau nei tradicinės elektrinės, o ateityje šis skirtumas tik didės.
Taigi tie dideli balti bokštai laukuose – tai ne tik įspūdinga technika, bet ir mūsų energetikos ateitis. Jie paverčia nematomą vėją į elektros srovę, kuri šviečia lemputes, kraunama telefonus ir suka skalbimo mašinas. Ir nors principas atrodo paprastas, už jo slypi šimtmečių inžinerijos patirtis ir pažangiausios šiuolaikinės technologijos.