Жел турбинасының мұнаралары және олардың тиімділікке әсері
Жел энергиясы таза энергияға көшудегі маңызды тірек болды. Адамдар жел турбиналары туралы ойлағанда, көбінесе жоғарғы жағындағы үлкен, айналатын қалақтарға назар аударады. Дегенмен, дәл сондай маңызды және жиі назардан тыс қалатын компонент бар: жел турбинасы мұнарасы. Мұнара тек «тірек тірек» емес, керісінше, турбинаның жел энергиясын электр энергиясына қаншалықты тиімді түрлендіретінін айтарлықтай анықтайтын құрылымдық және аэродинамикалық элемент. Мұнараның биіктігі, қаттылығы, материалдары және орнату әдісі турбинаның жұмысына, құнына, сенімділігіне және тіпті қызмет ету мерзіміне әсер етуі мүмкін.
Жел турбиналық жүйелеріндегі мұнаралардың рөлі
Жалпы алғанда, жел турбинасы мұнарасы гондолаларды (генератор корпусы мен беріліс қорабы, егер бар болса) және роторды белгілі бір биіктікке көтеруге қызмет етеді, осылайша турбина күштірек және тұрақтырақ желдерді ұстап тұра алады. Жерге жақын жел жермен, ағаштармен, ғимараттармен және жер бедерінің контурларымен үйкеліске байланысты баяулауға бейім. Роторды жоғары көтеру арқылы турбина жоғары турбуленттілік аймағынан «шығып», тұрақтырақ жел қабатына енеді.
Сонымен қатар, мұнара әртүрлі жүктемелерге төтеп беруі керек: гондола мен ротордың салмағынан болатын статикалық жүктемелер, сондай-ақ желден, дірілден және ротордың айналу бағытының өзгеруінен болатын динамикалық жүктемелер. Мұнара сонымен қатар ротордың айналу жиілігімен немесе басқа құрылымдық тербелістермен резонанс тудырмайтындай етіп жасалуы керек, себебі резонанс материалдың шаршауын жеделдетіп, істен шығу қаупін арттыруы мүмкін.
Мұнара биіктігі: желге жақсы қол жеткізу
Тиімділікке әсер ететін ең айқын фактор - мұнараның биіктігі. Беттік үйкелістің азаюына байланысты жел жылдамдығы биіктікпен бірге артады. Көптеген жерлерде жел жылдамдығының пайыздық пунктке артуы энергияның айтарлықтай үлкен өсуіне әкелуі мүмкін, себебі желден алынатын қуат жел жылдамдығының кубына тікелей пропорционалды. Бұл жел жылдамдығының 10%-ға артуы жиналған әлеуетті энергияны шамамен 33%-ға арттыра алады дегенді білдіреді (теория жүзінде), дегенмен нақты өсім турбинаның қуат қисығы мен пайдалану шектеулеріне байланысты.
Биік мұнаралар турбуленттілікті азайтуға да көмектеседі. Турбуленттілік жел ағынын біркелкі емес етеді, ротор мен беріліс қорабының компоненттеріне түсетін ауытқу жүктемелерін арттырады. Тұрақты желмен турбина оңтайлы жұмыс нүктесіне жақын жұмыс істей алады, бұл қадамдағы (қалақтың бұрышы) және желге қатысты турбина бағытындағы ауытқуларды азайтады және тозуды азайтады. Нәтижесінде тек қуат өндірісі ғана емес, сонымен қатар техникалық қызмет көрсету шығындары да төмендейді.
Дегенмен, биік мұнаралар да қымбаттап, күрделі бола түседі. Материалдық шығындар артады, тасымалдау қиындай түседі, іргетастары берік болуы керек, ал орнату үшін үлкен сыйымдылықтағы крандар қажет. Сондықтан мұнара биіктігін жобалау әрқашан энергия өндірісінің артуы мен инвестициялық шығындардың өсуі арасындағы ымыраға келу болып табылады.
Қаттылық және діріл: тұрақтылық өнімділікке әсер етеді
Мұнараға түсетін динамикалық жүктемелер пайдалану тиімділігіне айтарлықтай әсер етеді. Тым икемді мұнаралар қатты жел кезінде үлкен ауытқуды (иілуді) сезінуі мүмкін. Бұл ауытқу турбинаны құрылымды қорғау үшін қуатты азайту (деградациялау) немесе тарту күшін азайту үшін қалақ бұрышын бұру сияқты агрессивті басқару шараларын енгізуге итермелеуі мүмкін. Демек, белгілі бір жағдайларда энергия өндірісі азаяды.
Сонымен қатар, шамадан тыс діріл қуат сапасына және компоненттердің сенімділігіне әсер етуі мүмкін. Қазіргі заманғы турбиналар діріл аномалияларын анықтау үшін басқару жүйелері мен сенсорларды пайдаланады. Егер діріл шекті мәннен асып кетсе, турбина қорғаныс режиміне өтуі немесе уақытша өшіп қалуы мүмкін. Жел электр станциясы (ЖЭЭС) масштабында жиі өшірулер қуат коэффициентін және жобаның экономикалық тиімділігін төмендетеді.
Сондықтан мұнара конструкциясы ротордың айналу жиілігімен (1P) немесе оның гармоникасымен (үш қалақты турбиналар үшін 3P) сәйкес келмеуін қамтамасыз ету үшін құрылымның табиғи жиілігін ескереді. Тиісті құрылымдық жобалау турбинаның тұрақты жұмыс істеуіне көмектеседі, жиі қорғаныс қажеттілігін азайтады және жоғары қуат өндірісін сақтайды.
Мұнара материалдары: болат, бетон және гибридті
Құрлықтағы жел турбинасы мұнараларының көпшілігі конус тәрізді құбырлы болатты пайдаланады. Болат өндіру салыстырмалы түрде оңай, берік және модульдік құрастыруға мүмкіндік береді. Дегенмен, өте биік мұнаралар үшін болат мұнараның төменгі диаметрі автомобиль көлігі үшін тым үлкен болуы мүмкін. Бұл логистикалық шектеулер бетон мұнараларды, арнайы сегменттері бар болат мұнараларды немесе гибридті конструкцияларды (төменгі жағында бетон мен жоғарғы жағында болаттың үйлесімі) пайдалануға ынталандырады.
Бетон мұнаралардың қаттылығының артықшылығы бар және оларды жоба алаңының жанында жасауға болады, бұл тасымалдау шектеулерін азайтады. Жоғары қаттылық ауытқу мен дірілді азайтып, турбиналардың әртүрлі жел жағдайларында жұмыс істеуіне көмектеседі. Дегенмен, бетон сонымен қатар қиындықтар тудырады: ауыр салмақ, құрылыс уақыты ұзағырақ және қызмет ету мерзімін қысқартатын жарықшақтардың алдын алу үшін қатаң жұмыс талаптары.
Гибридті мұнаралар екеуін де пайдалануға тырысады: төмендегі бетон қаттылық пен тұрақтылық үшін, ал жоғарғы жағындағы салмақты азайту және гондолаларды біріктіруді жеңілдету үшін болат. Материал мен дизайнды таңдау тиімділікке екі негізгі жол арқылы әсер етеді: желді ұстап тұру (мұнара биіктігі арқылы) және тұрақты жұмыс (динамикалық жауап және шаршау мерзімі арқылы).
Мұнараның аэродинамикаға әсері және мұнараның «көлеңкесі»
Мұнаралар ротордың айналасындағы ауа ағынына да әсер етеді. Белгілі құбылыстардың бірі - «мұнара көлеңкесі», қалақшалар мұнараның алдынан өткен кезде жел ағынының бұзылуы. Бұл бұзылыс қалақшаларға мерзімді жүктеме өзгерістерін тудырады және дірілді және шуды арттыруы мүмкін. Желге қарсы турбиналарда (ротор желге қараған, мұнара ротордың артында) мұнара көлеңкесінің әсері желдің төменгі бағытындағы конфигурацияларға қарағанда аз, бірақ ол әлі де бар, себебі мұнара айналасындағы ағын жергілікті турбуленттілікті тудырады.
Тиімділік тұрғысынан мұнара көлеңкесі әдетте мұнара биіктігі немесе жел сапасы сияқты маңызды фактор емес, бірақ ол шаршау жүктемелеріне әсер етеді. Шаршаудың жоғары жүктемелері өндірушілерді консервативті пайдалану шектеулерін белгілеуге немесе қалақшаларды жобалау шығындарын арттыруға мәжбүр етуі мүмкін. Басқаша айтқанда, ағынның бұзылуын азайтатын мұнара дизайны - мысалы, тегіс түтік пішіні және жақсы диаметрлі ауысулар - турбинаның құрылымдық тұрғыдан ыңғайлы жұмыс істеуіне көмектеседі, бұл ұзақ мерзімді тиімділікті арттырады.
Іргетас және топырақ-құрылымның өзара әрекеттесуі
Мұнаралар жеке тұрмайды; олар топырақпен әрекеттесетін іргетастарға сүйенеді. Егер топырақ жағдайлары жұмсақ немесе біркелкі болмаса, мұнара шөгуге немесе аздап еңкейуге ұшырауы мүмкін, бұл ротордағы қисаю жүйесіне және жүктеменің таралуына әсер етеді. Топырақ-құрылымның динамикалық өзара әрекеттесуі мұнараның діріл сипаттамаларын да өзгертуі мүмкін. Кейбір жерлерде іргетастардың оңтайлы емес болуы қорғаныс жүйелерінің жиірек іске қосылуына байланысты дірілдің жоғарылауына және турбиналардың қолжетімділігінің төмендеуіне әкелуі мүмкін.
Сондықтан, геотехникалық зерттеулер мен іргетастың дизайны тиімділікпен тығыз байланысты, дегенмен олар көбінесе аэродинамикалық көрсеткіштерден бөлек қарастырылады. Діріл немесе еңкею мәселелеріне байланысты жиі істен шығатын турбиналар өндіріс уақытын жоғалтады және пайдалану шығындарын арттырады.
Шығындар мен экономикалық тиімділікке әсері
Тиімділік тек энергия тиімділігіне (желден қанша электр энергиясы өндірілетініне) ғана емес, сонымен қатар экономикалық тиімділікке де қатысты: жобаның қызмет ету мерзімі ішінде кВт/сағ құны. Биік, берік мұнаралар өндірісті арттыруы мүмкін, бірақ сонымен бірге КАПС-ты (инвестициялық шығындар) да арттырады. Идеал жағдайда, әзірлеушілер тек ең жоғары өнімділікті ғана емес, сонымен қатар энергияның ең төменгі деңгейленген құнын (LCOE) қамтамасыз ететін мұнара дизайнын таңдайды.
Іс жүзінде мұнара таңдау көбінесе учаскенің сипаттамаларына байланысты: желдің орташа жылдамдығы, турбуленттілік қарқындылығы, тасымалдау шектеулері, кранға кіру мүмкіндігі және жергілікті ережелер (мысалы, авиацияға байланысты биіктік шектеулері). Оңтайлы мұнара - жергілікті жағдайларға «сәйкес келетін» - ең жақсы желге қол жеткізуге жеткілікті биік, жүктемелерді көтере алатындай берік және салу мен күтіп ұстауға жеткілікті үнемді мұнара.
Қорытынды
Жел турбинасы мұнаралары турбинаның жалпы тиімділігіне айтарлықтай әсер ететін негізгі компоненттер болып табылады. Роторды жел күштірек және тұрақты болатын биіктікке көтеру арқылы мұнаралар энергия өндіру әлеуетін арттырады. Тиісті құрылымдық жобалау арқылы - қатты, бірақ резонансқа төзімді - мұнаралар турбинаның тұрақты жұмысын қамтамасыз етеді, дірілді азайтады және қорғаныс өшірулерінің қажеттілігін азайтады. Материалды таңдау (болат, бетон немесе гибрид), іргетас сапасы және мұнараның көлеңкесі сияқты әсерлерді бақылау сенімділікті арттыру және материалдың шаршауын азайту арқылы ұзақ мерзімді тиімділікке ықпал етеді.
Түптеп келгенде, ең жақсы тиімділікке тек ең биік мұнараны салу арқылы ғана емес, сонымен қатар жобаның орналасқан жері мен қажеттіліктеріне ең қолайлы мұнараны салу арқылы қол жеткізіледі. Мұнара оңтайлы түрде жобаланған кезде, турбина тек көбірек электр энергиясын өндіріп қана қоймай, сонымен қатар тұрақты жұмыс істейді, ұзақ қызмет етеді және жұмыс істеу мерзімі ішінде үнемдірек болады.
