Tuuligeneraattori (tuulivoimala tai lyhennetty WPP, tuulimylly ) on laite, joka muuntaa tuulen virtauksen kineettisen energian roottorin pyörimisen mekaaniseksi energiaksi, jonka jälkeen se muunnetaan sähköenergiaksi .
Tuulivoimalat voidaan jakaa kolmeen luokkaan: teollisiin, kaupallisiin ja kotitalouksiin (yksityiseen käyttöön).
Teolliset asentavat valtio tai suuret energiayhtiöt. Yleensä ne yhdistetään verkkoon, tuloksena on tuulipuisto . Aikaisemmin ne ovat täysin ympäristöystävällisiä, joten ne eroavat perinteisistä. Tuuliturbiinien siivet on kuitenkin valmistettu polymeerikomposiitista , jonka uudelleenkäyttö ja kierrätys ei ole kustannustehokasta. Nyt kysymys terien käsittelystä on avoin.
Ainoa tärkeä vaatimus WPP:lle on korkea keskimääräinen vuosituuli. Nykyaikaisten tuuliturbiinien teho on 8 MW.
Tuuligeneraattorin teho riippuu ilmavirran tehosta ( ), joka määräytyy tuulen nopeuden ja pyyhkäisyalueen mukaan,
missä: - tuulen nopeus, - ilman tiheys, - pyyhkäisyalue.
Tuuliturbiinit luokitellaan siipien lukumäärän, materiaalien, joista ne on valmistettu, pyörimisakselin ja ruuvin nousun mukaan [1] .
Tuulivoimaloita on kahta päätyyppiä:
On myös rumpu- ja pyöriviä tuuliturbiineja [2] .
Tuuligeneraattorit käyttävät yleensä kolmea siipeä saavuttaakseen kompromissin vääntömomentin määrän (lisää siipien lukumäärän myötä) ja pyörimisnopeuden (pienenee siipien lukumäärän myötä) välillä [3] .
Betzin laki ennustaa, että tuulivoiman käyttökerroin (WUCF) vaaka-, potkuri- ja pystyakseliasennuksissa on rajoitettu vakioon 0,593. Tähän mennessä vaakasuuntaisilla potkurituuliturbiineilla saavutettu tuulienergian käyttökerroin on 0,4. Tällä hetkellä tämä kerroin tuuliturbiinien (tuuliturbiinien) GRTs-Vertical on 0,38. Venäläisten pystyakselisten asennusten kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että arvon 0,4-0,45 saavuttaminen on erittäin todellinen tehtävä. Siten vaaka-akselisten potkureiden ja pystyakselisten tuuliturbiinien tuulienergian käyttökertoimet ovat lähellä [4] .
WPP koostuu:
Tuotettu sähkö menee:
Koostuu seuraavista osista:
Koostuu seuraavista osista:
Massan säilymislaki edellyttää, että turbiiniin tulevan ja sieltä poistuvan ilman määrä on sama. Näin ollen Betzin laki antaa tuuliturbiinin suurimmaksi saavutettavissa olevan tuulienergian ottamisen 16/27 (59,3 %) nopeudesta, jolla ilman liike-energia saavuttaa turbiinin [6] .
Tuulikoneen suurin teoreettinen teho on siis 16/27 koneen tehollisen levyalueen saavuttavan ilman liike-energiasta aikayksikköä kohti. Tehokkaalla levypinta-alalla ja tuulennopeudella suurin teoreettinen teho on
,missä ρ on ilman tiheys .
Lapojen kitka ilmaa vasten ja vastus ovat tärkeimmät tekijät, jotka määräävät tuulesta roottoriin siirtyvän energian tehokkuuden ja siten tuuligeneraattorin tuottaman energian hinnan [7] . Muita tehokkuuden menetystekijöitä ovat häviöt vaihteistossa , generaattorissa ja muuntimessa. Vuodesta 2001 lähtien kaupallisiin laitoksiin kytketyt turbiinit tuottivat 75–80 % tehorajastaan Betzin lain [8] [9] mukaisesti nimelliskäyttönopeudella .
Tehokkuus voi laskea hieman ajan myötä pölyn, terien pintavirheiden ja kerääntyneiden hyönteisten takia, jotka vähentävät terän nostoa . Tanskassa 3 128 yli 10 vuotta vanhemman tuuliturbiinin analyysi osoitti, että puolet turbiineista ei laskenut, kun taas toisen puolen tehokkuus laski keskimäärin 1,2 % vuodessa [10] .
Yleisesti ottaen vakaammat ja tasaisemmat sääolosuhteet (erityisesti tuulen nopeus) johtavat keskimäärin 15 %:n hyötysuhteen nousuun verrattuna epävakaaseen säähän [11] .
On havaittu, että eri materiaaleilla on erilaisia vaikutuksia tuuliturbiinien hyötysuhteeseen. Egen yliopistossa tehdyssä kokeessa rakennettiin kolme halkaisijaltaan 1 m:n kolmilapaista tuuliturbiinia eri siipimateriaaleista: lasikuitu ja hiilikuitu epoksisideaineella, hiilikuitu, lasipolystyreeni. Testit ovat osoittaneet, että materiaaleilla, joilla on suurempi kokonaismassa, on suurempi kitkamomentti ja siten pienempi tehokerroin [12] .
Teollinen tuuliturbiini rakennetaan valmiille paikalle 7-10 päivässä. Viranomaislupien saaminen tuulipuiston rakentamiseen voi kestää vuoden tai kauemmin. [13] Lisäksi tuuliturbiinin tai tuulipuiston rakentamisen perustelemiseksi on tarpeen tehdä pitkäaikaista (vähintään vuoden) tuulitutkimusta rakennusalueella. Nämä toimet pidentävät merkittävästi tuulivoimahankkeiden ikää.
Rakentamiseen tarvitaan tie rakennustyömaalle, paikka solmujen sijoittamiseen asennuksen aikana, raskaita nostolaitteita, joiden ulottuvuus on yli 50 metriä, koska gondolit asennetaan noin 50 metrin korkeuteen.
Teollisten tuuliturbiinien käytön aikana ilmenee erilaisia ongelmia:
Norjalainen StatoilHydro ja saksalainen Siemens AG ovat kehittäneet kelluvia tuulivoimaloita syvänmeren asemille. StatoilHydro rakensi 2,3 MW:n demon kesäkuussa 2009 [14] [15] . Siemens Renewable Energyn [15] kehittämä Hywind-niminen turbiini painaa 5300 tonnia ja on 65 metriä korkea. Se sijaitsee 10 kilometriä Karmoyn saarelta, ei kaukana Norjan lounaisrannikolta. Yhtiö aikoo jatkossa nostaa turbiinin tehon 5 MW:iin ja roottorin halkaisijan 120 metriin. Vastaavaa kehitystä on meneillään Yhdysvalloissa .
Magenn on kehittänyt erityisen tuulen pyörivän ilmapallon, johon on asennettu generaattori, joka itse kohoaa 120-300 metrin korkeuteen. Ei ole tarvetta rakentaa tornia ja miehittää maata. Laite toimii tuulen nopeusalueella 1 m/s - 28 m/s. Laite voidaan siirtää tuulisille alueille tai asentaa nopeasti katastrofialueille.
Windrotor tarjoaa tehokkaan turbiiniroottorirakenteen, joka voi merkittävästi lisätä sen kokoa ja tuulienergiatehokkuutta. Tämän mallin odotetaan olevan uuden sukupolven tuuliturbiinien roottorit.
Toukokuussa 2009 Advanced Tower Systems (ATS) Saksassa otti käyttöön ensimmäisen hybriditorniin asennetun tuuliturbiinin. Tornin alaosa, 76,5 metriä korkea, on rakennettu teräsbetonista . Yläosa, 55 metriä korkea, on valmistettu teräksestä. Tuuligeneraattorin kokonaiskorkeus (siivet mukaan lukien) on 180 metriä. Tornin korkeuden lisääminen lisää sähkön tuotantoa jopa 20 % [16] .
Vuoden 2010 lopussa espanjalaiset yritykset Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros ja DIgSILENT Ibérica muodostivat ryhmän kehittääkseen yhdessä 15,0 MW:n tuulivoimalan [17] .
Euroopan unioni on käynnistänyt tutkimushankkeen UpWind kehittääkseen offshore - tuuliturbiinin, jonka teho on 20 MW [18] .
Vuonna 2013 japanilainen yritys Mitsui Ocean Development & Engineering Company kehitti hybridiasennuksen: tuuliturbiini ja vuorovesienergialla toimiva turbiini asennetaan yhdelle vedessä kelluvalle akselille [19] .
Taulukko 10 suurimmasta teollisuustuuliturbiinien valmistajasta vuonna 2010 [20] , MW:
Ei. | Nimi | Maa | Tuotantomäärä, MW. |
---|---|---|---|
yksi | Vestas | Tanska | 5 842 |
2 | Sinovel | Kiina | 4 386 |
3 | GE Energy | USA | 3 796 |
neljä | Kultatuuli | Kiina | 3 740 |
5 | Enercon | Saksa | 2846 |
6 | Suzlonin energia | Intia | 2736 |
7 | Dongfang Electric | Kiina | 2624 |
kahdeksan | gamesa | Espanja | 2587 |
9 | Siemens tuuli | Saksa | 2325 |
kymmenen | Yhdistynyt voima | Kiina | 1600 |
Vuonna 2014 turbiinivalmistajien kokonaiskapasiteetti oli 71 GW [21] .
Bloomberg New Energy Finance laskee tuuliturbiinien hintaindeksin. Vuodesta 2008 vuoteen 2010 tuulivoimaloiden keskihinta laski 15 %. Tuuliturbiinin keskihinta vuonna 2008 oli 1,22 miljoonaa euroa /1 MW kapasiteettia.
Elokuussa 2010 yhden MW tuuliturbiinin keskihinta oli 1,04 miljoonaa euroa [22] .
Vuonna 2021 kustannukset nousivat 4 miljoonaan euroon (Saksa, rakentaminen lähellä Flöten kaupunkia).
Pieni tuulivoima sisältää laitokset, joiden teho on alle 100 kW. Laitoksia, joiden teho on alle 1 kW, kutsutaan mikrotuulienergiaksi. Niitä käytetään huviveneissä, maataloustiloilla vesihuoltoon jne.
Pienet tuuliturbiinit voivat toimia itsenäisesti eli olematta kytkettynä yhteiseen sähköverkkoon .
Joissakin nykyaikaisissa kuluttajien UPS :issä on DC-tulomoduuli erityisesti aurinko- tai tuulivoimaa varten. Siten tuuligeneraattori voi olla osa kodin sähkönsyöttöjärjestelmää, mikä vähentää sähkönkulutusta verkosta.
Tällä hetkellä sähkön hinta ei ole energian hintojen noususta huolimatta valtaosalla toimialoista muita kustannuksia vastaan merkittävää summaa . . Virransyötön luotettavuus ja vakaus ovat edelleen kuluttajalle avainasemassa .
Tärkeimmät tekijät, jotka johtavat teollisuudessa käytettävän tuulivoimaloista saatavan energian kustannusten nousuun, ovat:
Uskotaan, että pienten autonomisten tuuliturbiinien käytöstä jokapäiväisessä elämässä on vähän hyötyä johtuen:
Yhteisen sähköverkon ja nykyaikaisen kaksoismuunnos-UPS:n läsnä ollessa nämä tekijät tulevat kuitenkin merkityksettömiksi, ja usein tällaiset UPS -laitteet tarjoavat mahdollisuuden täydentää erilaisia epävakaita tasavirtalähteitä, kuten tuuligeneraattori tai aurinkoakku .
Tällä hetkellä edullisinta on saada tuuliturbiinien avulla ei teollista sähköenergiaa, vaan tasa- tai vaihtovirtaa (muuttuva taajuus), joka muunnetaan lämpöpumppujen avulla lämmöksi asunnon lämmittämiseksi ja kuuman veden tuottamiseksi. Tällä järjestelmällä on useita etuja:
Kotituuliturbiinien teollisuus kehittyy aktiivisesti, ja melko kohtuullisella rahalla on jo mahdollista ostaa tuulivoimala ja varmistaa maalaistalon energiariippumattomuus moniksi vuosiksi. Yleensä sähkön tuottamiseen pieneen taloon riittää asennus, jonka nimellisteho on 1 kW tuulen nopeudella 8 m / s. Jos alue ei ole tuulinen, tuuligeneraattoria voidaan täydentää aurinkokennoilla tai dieselgeneraattorilla ja pystyakselin tuuliturbiinien lisäksi pienempiä tuuligeneraattoreita (esim. Darrieus-turbiinia voidaan täydentää Savonius -roottorilla. samalla yksi ei häiritse toista - lähteet täydentävät toisiaan).
Pienen tuulivoiman kehittämisen lupaavimpia alueita ovat alueet, joissa sähkön hinta on yli 0,1 dollaria kWh :lta . Pienten tuuliturbiinien tuottaman sähkön hinta Yhdysvalloissa vuonna 2006 oli 0,10–0,11 dollaria kilowattitunnilta.
American Wind Energy Association (AWEA) arvioi, että seuraavan viiden vuoden aikana kustannukset laskevat 0,07 dollariin kWh:lta. AWEA:n mukaan Yhdysvalloissa myytiin 6 807 pientä tuuliturbiinia vuonna 2006 . Niiden kokonaisteho on 17 543 kW. Niiden kokonaiskustannukset ovat 56 082 850 dollaria (noin 3 200 dollaria kW tehoa kohti). Muualla maailmassa myytiin vuonna 2006 9 502 pientä turbiinia (ilman Yhdysvaltoja), joiden kokonaiskapasiteetti oli 19 483 kW.
Yhdysvaltain energiaministeriö (DoE) ilmoitti vuoden 2007 lopulla olevansa valmis rahoittamaan erityisen pieniä (enintään 5 kW) tuulivoimaloita henkilökohtaiseen käyttöön.
AWEA ennustaa, että vuoteen 2020 mennessä Yhdysvaltojen pientuulivoiman kokonaiskapasiteetti kasvaa 50 tuhanteen MW:iin, mikä on noin 3 % maan kokonaiskapasiteetista. Tuulivoimalat asennetaan 15 miljoonaan kotiin ja 1 miljoonaan pienyritykseen . Pieni tuulivoimateollisuus työllistää 10 000 henkilöä. Ne tuottavat vuosittain tuotteita ja palveluita yli miljardin dollarin arvosta.
Venäjällä suuntaus asentaa tuuliturbiinit kodin sähkön varustamiseen on vasta syntymässä . Markkinoilla on kirjaimellisesti useita kotikäyttöön tarkoitettujen pienitehoisten kotitalouksien tuuliturbiinien valmistajia. Tuulivoimaloiden, joiden kapasiteetti on 1 kW, hinnat täydellä sarjalla alkavat 35-40 tuhannesta ruplasta (vuodelle 2012). Tämän laitteen asentaminen ei vaadi sertifiointia.
![]() | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
|