NAJVÄČŠIA DATABÁZA
ŠTUDENTSKÝCH REFERÁTOV NA SLOVENSKU

Nájdi si dokument, ktorý potrebuješ v inom jazyku: SK CZ HU

Celkom referátov: (12584)

Jazykové kurzy, štúdium a pobyty v zahraničí
Prihlásenie Prihlásenie Registrácia
Pridaj svoju prácu

Referát INCÍP PRÁCE VETERNÝCH TURBÍN

Odoslať známemu Stiahnuť Nahlásiť chybu Buď prvý, kto sa vyjadrí k tomuto príspevku (0)

Doplnkové informace o referáte:

Oblasť:Technika

Autor: Matisko

Počet slov:2225

Počet písmen:13,053

Jazyk:Slovenský jazyk

Orient. počet strán A4:7.25

Počet zobrazení / stiahnutí:5222 / 93

Veľkosť:15.38 kB

PRINCÍP PRÁCE VETERNÝCH TURBÍN

The Operation Principle of The Wind - Power Plant

The wind turbine as a complex unit consists of some seemingly independent parts, which severance and description of the functions are known also from other facilities. The wind turbine is built from the parts greatly extensive in the machine technology. Components, as the rotor blades are generally established on the aircraft industry. Then, these are modified to specific conditions of the turbine. The paper is concerned with the basic principles of the aerodynamics of the wind turbine, which is established its operation on.

Key words: rotor blades, wind turbine, stall, lift, sum of wind speeds, wind turbine components, rotor aerodynamics,

ÚVOD

Veterné turbíny sú najnovšou technológiou k premene veternej energie. Základné veterné mlyny sa používali v Európe storocia. Súcasné systémy pozostávajú zo stožiara, niekolkých volne sa otácajúcich lopatiek, systému výroby energie a rôznych regulátorov. Veternú turbínu ako komplexný celok tvorí zdanlivo niekolko samostatných castí, ktorých vyclenenie a popis funkcie sú známe aj z iných zariadení. Veterná turbína je postavená z dielov znacne rozšírených v strojárenskej technológií.

Zaoberáme sa veternou turbínou s horizontálnou osou, ktorá tvorí väcšinu dnešných zariadení v prevádzke. Tieto zariadenia môžu byt triedené podla polohy stožiara (náveternej alebo záveternej), podla klbového spojenia lopatky (pevné alebo pohyblivé), systému aerodynamického riadenia (strata rýchlosti (= pokles vztlaku) alebo regulácie sklonu) a poctu lopatiek.

Clánok sa zaoberá aj základnými princípmi aerodynamiky veternej turbíny, na ktorých je založený jej chod.


















1 ZÁKLADNÉ CASTI VETERNEJ TURBÍNY







Obrázok 1 Základné casti veternej turbíny
1 – kryt turbíny, 2 – lopatky rotora, 3 – hlavica, 4 – nízkorýchlostný hriadel, 5 – prevodovka, 6 – vysokorýchlostný hriadel s mechanickou brzdou, 7 – elektrický generátor, 8 – mechanizmus vychylovania, 9 – elektronický regulátor, 10 – hydraulický systém, 11 – stožiar, 12 – anemometer a veterné krídielko

Strucný popis jednotlivých castí

Lopatky rotora
Lopatky rotora zachytávajú vietor a odovzdávajú jeho energiu do hlavice rotora. Na modernej 1000 kW veternej turbíne, každá lopatka meria približne 27 metrov na dlžku a konštrukciou je podobná krídlu lietadla. Rotor zložený z lopatiek rotora a hlavice je umiestnený na náveternej strane veže. Je to dôležité kvôli tomu, že prúd vzduchu za vežou je velmi nerovnomerný (turbulentný).

Skúšanie mechanických vlastností lopatiek je vidiet na Obrázku 2 a 3. Pravidelná kontrola a ošetrovanie lopatiek veternej turbíny - Obrázok 5. Lopatky rotora LM pripravené k expedícii. Základová cast lopatiek. – Obrázok 4.

Kryt turbíny
Kryt obsahuje klúcové súcastí veternej turbíny, zahrnajúce prevodovku, a elektrický generátor. Obsluha môže vstupovat do puzdra zo stožiara turbíny. V lavej casti puzdra je rotor veternej turbíny, t.j. lopatky rotora a hlavica. Kryt je na najnovších veterných turbínach.

Hlavica
Hlavica rotora je pripevnená k nízkorýchlostnému hriadelu veternej turbíny.

Obrázok 2 Statický test lopatky Obrázok 3 Skúšobné stanoviská: lopatky sú
LM 61,5 P [7] namáhané na deformáciu zodpovedajúcu
20 rokom prevádzky [7]


Obrázok 4 Základová cast lopatiek [7]. Obrázok 5 Pravidelná kontrola
a ošetrovanie lopatky veternej turbíny[7]

Nízkorýchlostný hriadel
Nízkorýchlostný hriadel veternej turbíny spája hlavicu rotora k prevodovke. Na modernej 1000 kW veternej turbíne sa rotor otáca relatívne pomaly, približne 19 až 30 otácok za minútu. Hriadel v sebe zahrna rúrky hydraulického systému umožnujúceho cinnost aerodynamického brzdenia.

Prevodovka – Obrázok 6
Prevodovka má vlavo nízkorýchlostný hriadel. Správne otácky sú vykonávané vysokorýchlostnýmj hriadelom, ktorý sa otáca približne 50 krát rýchlejšie ako nízkorýchlostný hriadel.


Obrázok 6 Prevodovka

Vysokorýchlostný hriadel s mechanickou brzdou
Vysokorýchlostný hriadel sa tocí približne 1500 otáckami za minútu a pohána elektrický generátor. Je vybavený núdzovou mechanickou kotúcovou brzdou. Mechanická brzda je použitá v prípade zlyhania aerodynamickej brzdy, alebo ked dôjde k údržbe.

Elektrický generátor – Obrázok 7
Je ním zvycajne tzv. indukcný generátor alebo asynchrónny generátor. Na modernej veternej turbíne je zvycajne maximálny elektrický výkon medzi 600 až 3000 kW.


Obrázok 7 Elektrický generátor

Vychylovací mechanizmus – Obrázok 8
Používa elektrické motory k natácaniu krytu turbíny s rotorom proti vetru. Vychylovací mechanizmus je riadený elektrickým regulátorom, ktorý sníma smer vetra za použitia veterného krídielka. Veterná turbína sa spravidla natáca iba o niekolko stupnov na cas, ked vietor mení jeho smer.



Obrázok 8 Vychylovací mechanizmus

Elektronický regulátor
Obsahuje pocítac, ktorý priebežne monitoruje situáciu veternej turbíny a riadi vychylovací mechanizmus. V prípade akejkolvek poruchy (napríklad prehriatie prevodovky alebo generátora), automaticky zastaví veternú turbínu a pocítac cez telefónne modemové spojenie privolá k turbíne pracovníka.

Hydraulický systém
Je používaný k pritiahnutiu aerodynamických brzd veternej turbíny.

Chladiaca jednotka
Obsahuje elektrický ventilátor, ktorý je používaný k ochladzovaniu elektrického generátora. Naviac, obsahuje jednotku chladenia oleja , ktorá je využívaná k ochladzovaniu oleja v prevodovke. Niektoré turbíny majú generátory ochladzované vodou.

Stožiar
Stožiar veternej turbíny nesie kryt a rotor. Všeobecne, je výhodou mat vysoký stožiar, pretože rýchlost vetra vzrastá smerom od povrchu. Typická moderná 1000 kW turbína má stožiar vysoký 50 až 80 metrov (výska 17-27 poschodovej budovy). Stožiare môžu byt trubicovitého tvaru – Obrázok 9 a 10 alebo ako rámový stožiar – Obrázok 11. Trubicovité stožiare sú bezpecnejšie pre pracovníkov, ktorí musia udržiavat turbíny, kedže môžu použit vnútorné schody k dosiahnutiu vrcholu turbíny. Výhodou rámovej konštrukcie stožiara je v prvom rade to, že sú lacnejšie. Hybridné riešenie stožiara dosiahneme kombináciou predchádzajúcich dvoch spôsobov – Obrázok 12.


Obrázok 9 Trubicovité ocelové stožiare Obrázok 10 Trubicovité ocelové stožiare


Obrázok 11 Rámová konštrukcia Obrázok 12 Hybridné riešenie stožiara
stožiara

Anemometer a veterné krídielko
Anemometer a veterné krídlo sú používané k meraniu rýchlosti a smeru vetra. Elektronické signály z anemometra sú používané elektronickým regulátorom turbíny k naštartovaniu chodu veternej turbíny, ked rýchlost vetra dosiahne približne 5 metrov za sekundu. Pocítat zastaví veternú turbínu automaticky, ked rýchlost vetra prekrocí 25 metrov za sekundu, kvôli ochrane turbíny a jej okolia. Signály veterného krídielka sú používané elektronickým regulátorom veternej turbíny k natoceniu turbíny proti vetru, za použitia vychylovacieho mechanizmu [1].

Montáž velkej veternej turbíny – Obrázok 13.


Obrázok 13 Príklad montáže velkej veternej turbíny [7]
Príklad pobrežnej veternej farmy s turbínami o velkom výkone (20 x 2 MW = 400 MW) – Obrázok 14 a 15.



Obrázok 14 Pobrežná veterná farma Obrázok 15 Pobrežná veterná farma
Middelgrunden pozostávajúca z 20-tich 2 MW v Middelgrundene (postavená na jesen
Bonus turbín opatrených lopatkami LM 36,8 [7] 2000) [7]


2 AERODYNAMIKA VETERNÝCH TURBÍN

Všeobecné charakteristiky
Veterné turbíny majú niekolko špecifických aerodynamických problémov. Prúd vzduchu je väcšinou v case nestály, kombinovaný s úcinkami posuvu vetra, turbulenciou vzduchu, nárazmi vetra, odchýlkovou nevyrovnanostou a tienením stožiara.

Je známe, že dvojrozmerné údaje profilu sú niekedy nevhodné pre predpovedanie aerodynamických charakteristík turbín s regulovanou stratou vztlaku (poklesom rýchlosti). Zaujímavé je najmä trojrozmerné prevedenie.

Rotáciu lopatiek spomaluje statická strata rýchlosti. Odstredivé cerpanie má za následok clen Corilisového zrýchlenia, ktorý spôsobuje priaznivé stúpanie tlaku. Výsledkom je, že hranicná vrstva rozdelenia je odsunutá [6].

Vztlak
Prícina, preco lietadlo môže lietat je, že vzduch klzajúci sa pozdlž horného povrchu krídla sa pohybuje rýchlejšie ako na spodnom povrchu – Obrázok 16.


Obrázok 16 Prúdenie vzduchu profilom krídla lietadla

To znamená, že tlak bude najnižší na hornom povrchu. To vytvárajú vztlak, t.j. silu tlaciacu nahor, ktorá umožnuje lietadlu letiet. Vztlak je kolmý k smeru vetra. Jav vztlaku je dobre známy storocia [2].

Strata rýchlosti
Co sa stane, ak sa lietadlo rýchlo vychýli smerom dozadu pri pokuse o výstup vyššie k oblohe?
Zatial co krídlo bude vychylované dozadu, vztlak krídla bude narastat. Všetok tento náhly prúd vzduchu zastaví vzpriecenie horného povrchu plochy krídla. Vzduch víri dookola v nerovnomernom víre (stav známy ako turbulencia). Všetok tento náhly vztlak na hornom povrchu krídla sa stráca. Tento jav je známy ako strata rýchlosti ( v ang. „stall“) – Obrázok 17.


Obrázok 17 Strata rýchlosti (= strate vztlaku)

Ak prúd vzduchu postupuje v hlavnom smere pohybu a tvar prierezu krídla sa zužuje príliš rýchlo, krídlo lietadla bude strácat rýchlost. (Krídlo pravdaže nemení svoj tvar, ale uhol krídla vo vztahu k celkovému smeru prúdu vzduchu (tiež známy ako uhol nábehu) sa zvyšuje).

Turbulencia sa tvorí na zadnej casti krídla vo vztahu k prúdu vzduchu.
Strata rýchlosti prúdu vzduchu môže byt vyprovokovaná ak povrch krídla lietadla – alebo lopatky rotora veternej turbíny – nie je úplne hladký a rovný. Záhyb na krídle alebo lopatke rotora, alebo kúsok samoprilnievajúcej pásky môže byt dostatocný k vzniku turbulencie v zadnej casti, aj ked uhol nábehu je celkom malý.

Konštruktéri lietadiel sa obvykle snažia celkovými nákladmi vyhnút strate rýchlosti, pretože lietadlo bez vztlaku svojich krídiel spadne ako skala [3].

Spocítanie rýchlosti a smerov vetra (Rýchlosti vetra)
Vietor, ktorý zasahuje lopatky rotora veternej turbíny neprichádza zo smeru v ktorom vietor fúka v krajine, t.j. spredu turbíny. To je kvôli tomu, že lopatky rotora sa pohybujú.

K pochopeniu tohto, si predstavíme bicykel, ktorý je vybavený zástavkou (alebo veterným krídielkom) k udaniu smeru vetra. Ak máme úplne bezveterné pocasie a bicykel sa pohybuje smerom dopredu, povedzme rýchlostou 7 m/s, bicykel sa bude pohybovat vzduchom rýchlostou 7 m/s. Na bicykli môžeme zmerat rýchlost vetra tých 7 m/s vzhladom k bicyklu. Zástavka smeruje priamo dozadu, pretože vietor prichádza priamo spredu bicykla.

Teraz predpokladáme, že bicykel sa pohybuje dopredu konštantnou rýchlostou 7 m/s. Ak vietor fúka priamo sprava, tiež rýchlostou 7 m/s, zástavka bude jasne ofukovaná ciastocne nalavo, pod 45° uhlom vzhladom k bicyklu. S menším vetrom, napr. 5 m/s, vlajka bude ofukovaná nalavo menej a uhol bude nejakých 35°. Smer vetra, výsledný vietor ako je meraný z bicykla, sa mení kedykolvek, ked sa zmení rýchlost vetra.

Vietor fúka rýchlostou 7 m/s spredu a 5 až 7 m/s sprava. Geometriou a trigonometriou sa dá zistit, že rýchlost vetra meraná na bicykli bude medzi 8,6 až 9,9 m/s [4].

Aerodynamika rotora
K pochopeniu ako sa vietor pohybuje vzhladom k lopatkám rotora veternej turbíny, sme pripevnili cervené pásky k špicke lopatiek rotora modelu veternej turbíny a žlté pásky približne k ¼ dlžky lopatky smerom od hlavice.
Necháme pásky volne sa vznášat vo vzduchu (zahrnujeme prúdy vzduchu vytvorené samotnými lopatkami a odstredivou silou).
Obrázok 18 dáva pohlad na turbínu zo strany a Obrázok 19 pohlad spredu turbíny.


Obrázok 18 Pohlad na turbínu zo strany Obrázok 19 Pohlad spred turbíny

Pretože väcšina veterných turbín ma konštantnú rýchlost otácania, rýchlost ktorou sa špicka lopatky rotora pohybuje vzduchom (rýchlost špicky) je typicky 64 m/s, zatial co v strede hlavice je rýchlost nulová. Vo vzdialenosti ¼ dlžky lopatky smerom od hlavice rýchlost bude približne 16 m/s.

Žlté pásky v blízkosti hlavice rotora budú fúkané viac smerom k zadnej casti turbíny než cervené pásky pri špickách lopatiek. To je obvykle kvôli tomu, že rýchlost pri špickách lopatiek je približne 8 krát vyššia ako rýchlost vetra zasahujúca prednú cast turbíny.

Prícina zatocenia lopatiek rotora
Lopatky rotorov velkých veterných turbín sú vždycky zatocené.
Je videné z lopatky rotora, že vietor prichádza v ovela strmšom uhle (väcšinou z hlavného smeru vetra v krajine), pohybujúc sa smerom k päte lopatky a stredu rotora.

Ako je uvedené pri strate rýchlosti, ak lopatka je zasiahnutá pri uhle nábehu, ktorý je príliš strmý, zastaví sa odovzdávanie vztlaku lopatke rotora.
Preto, lopatka rotora musí byt tocená, tak aby dosiahla optimálneho uhla nábehu po celej dlžke lopatky. Avšak, v prípade riadenej straty rýchlosti (= strate vztlaku) veterných turbín je obzvlášt dôležité, že lopatka je stavaná tak, aby pri vysokých rýchlostiach vetra dochádzalo k strate rýchlosti postupne smerom od päty lopatky a smerom von [5].

Riadenie aerodynamiky
Špickový výkon veternej turbíny môže byt riadený pridelením lopatiek pre efekt spomalenia rýchlosti (zariadenia pre reguláciu poklesu vztlaku), alebo nastavovaním sklonu (zariadenia pre riadenie uhla sklonu) k poskytnutiu najlepších prítokových uhlov. Jedným zo zrejmých rozdielov je, že pre reguláciu uhla sklonu potrebujeme prepracované automatické zariadenia.
Pridelením lopatiek pre reguláciu spomalenia rýchlosti vzniká problém predpovedania dvoch
nestálych zatažení (dynamického spomalovania rýchlosti a trojrozmerných úcinkov rotácie) [6].

ZÁVER

Poznanie a správne aplikovanie zákonitostí aerodynamiky je pre správnu funkciu veternej turbíny rozhodujúce. Vzhladom na to, že vytvorenie modelu a prevedenie skúšok velkej veternej turbíny je nárocné na cas a materiálne zabezpecenie, venujú sa výrobe velkých turbín špecializované firmy s dlhorocnými skúsenostami. Moderné veterné turbíny preberajú technológie známe z lietadiel a helikoptér, plus niektoré ich vlastné zdokonalené riešenia kvôli skutocnosti, že pracujú vo velmi rozdielnom prostredí s meniacou sa rýchlostou a smerom vetra.


POUŽITÁ LITERATÚRA

[1] DANISH WIND INDUSTRY ASSOCIATION. Wind Turbine Components. [online]. [citované 10.6.2005]. Dostupné na: index.htm>
[2] DANISH WIND INDUSTRY ASSOCIATION. Aerodynamics of Wind Turbines: Lift. [online]. [citované 10.6.2005]. Dostupné na: lift.htm>
[3] DANISH WIND INDUSTRY ASSOCIATION. Aerodynamics of Wind Turbines: Stall.
[online]. [citované 10.6.2005]. Dostupné na: stall.htm>
[4] DANISH WIND INDUSTRY ASSOCIATION. Aerodynamics of Wind Turbines: Adding Wind Speeds and Directions (Wind Velocities) [online]. [citované 10.6.2005]. Dostupné na:

[5] DANISH WIND INDUSTRY ASSOCIATION. Rotor Aerodynamics. [online]. [citované 10.6.2005]. Dostupné na:
[6] ADVANCED TOPICS IN AERODYNAMICS. Rotors Aerodynamics. Wind Turbines.
[online]. [citované 10.6.2005]. Dostupné na:
[7] LM GLASFIBER A/S. Wind turbine rotor blades, wind power generation, blades for wind turbines, wind [online]. [citované 11.6.2005]. Dostupné na:


Diskusia

Buď prvý, kto sa vyjadrí k tomuto príspevku (0)