Vėjo jėgainių yra įvairių dydžių, jos statomos tiek sausumoje, tiek ir ant vandens, bet ar kada nors susimąstėte kodėl vėjo jėgainės turi būtent tris mentes. Kodėl ne daugiau? Gal daugiau menčių padidintų vėjo jėgainių efektyvumą? Yra mokslinės priežastys, kodėl būtent 3 mentės yra geriausias sprendimas.
Vėjo jėgainių yra įvairių dydžių, jos statomos tiek sausumoje, tiek ir ant vandens, bet ar kada nors susimąstėte kodėl vėjo jėgainės turi būtent tris mentes. Kodėl ne daugiau? Gal daugiau menčių padidintų vėjo jėgainių efektyvumą? Yra mokslinės priežastys, kodėl būtent 3 mentės yra geriausias sprendimas.
Žmonės jau gana seniai pakinkė vėjo energiją savo poreikiams. Nuo burlaivių iki vėjo malūnų – visą žmonijos istoriją vėjas buvo ir yra labai svarbus energijos šaltinis.
Pastaraisiais metais vėjo energija tapo dar populiaresnė. Žmonija pamatė, kad šis atsinaujinantis energijos šaltinis gali būti labai veiksminga ir tvari iškastinio kuro alternatyva. Vėjo jėgaines pradėjome statyti ne tik mums įprastose vietovėse – žemyninėje dalyje – bet ir palei pakrantes bei jūrose.
Tikriausiai daugelis iš mūsų ir Lietuvoje gyvai matėme bent vieną vėjo jėgainę, o gal net ir visą jų parką, kurių taip pat yra. Pasižiūrėjus į Energetikos ministerijos pateikiamą vėjo jėgainių žemėlapį, būtų galima sakyti, kad vėjo jėgainių galima rasti praktiškai kiekviename Lietuvos kampelyje.
Žinoma, didžioji dalis jų yra vakarinėje šalies dalyje, kur yra optimaliausios sąlygos vystyti vėjo energetiką. Tose vietovėse yra geriausi vėjuotumo rodikliai, tačiau vėjo jėgainių yra ir rytinėje šalies dalyje.
Šiuo metu (2018 metų rugpjūčio mėn. aut. past.) Lietuvoje yra įrengtos 198 vėjo jėgainės, kurių suminė įrengtoji elektrinė galia siekia beveik 530 MW. Ir mes turime išties įspūdingų vėjo jėgainių parkų. Štai pačių didžiausių trejetukas.
„45 MW Mažeikių VE“ vėjo jėgainių parkas, kurio suminė elektros galia siekia 45 MW. Antrasis pagal dydį yra 60 MW galios „Juknaičių, Usėnų vėjo elektrinių parkas“. Na, o pats didžiausias yra „Pagėgiai 13“ vėjo jėgainių parkas. Jo suminė elektros galia siekia 73,5 MW.
Tad, nors tokie parkai ir negali varžytis su pačiais didžiausiais pasaulio vėjo jėgainių parkais, bet Lietuvai tai yra išties įspūdingi skaičiai. Beje, kalbant dar šiek tiek apie skaičius, 15 didžiausių Lietuvoje esančių vėjo jėgainių parkų įrengtoji suminė elektros galia siekia daugiau kaip 422 MW, tad ne tik pavienės vėjo jėgainės, bet ir tokie vėjo jėgainių parkai yra labai svarbi mūsų šalies energetikos dalis.
Tačiau kodėl tų vėjo jėgainių dizainas toks išskirtinis? Kodėl jos turi tris mentes arba dar kitaip vadinamus ašmenis? Kodėl būtent toks skaičius, nei daugiau nei mažiau? Atsakymai slypi vėjo jėgainių inžinerijoje ir siekyje maksimaliai padidinti energijos gamybos efektyvuvą.
Kaip veikia vėjo jėgainės? Vėjo energetikos istorija ir už jos slypintis mokslas
Elektrą generuojančios vėjo jėgainės yra gerokai senesnės nei galite pagalvoti. Pirmoji tokia turbina buvo išrasta dar 1888 metais. Jos išradėjas yra Charlesas F. Brushas. Jo nuostabus išradimas turėjo net 144 mentes, kurios buvo medinės, ir toks įrenginys galėjo generuoti 12 kW galią.
Gal tai atrodo menkniekis, bet iki 1930-ųjų metų vidurio daugelis Amerikos kaimiškų vietovių priklausė nuo vėjo energijos. Tai buvo vienintelis elektros energijos šaltinis. Tokios turbinos buvo prieinamos ir ekonomiškai naudingos. Jos buvo ypač naudingos nutolusioms vietoms, į kurias tiekti elektros energiją kitaip nebuvo galimybės.
Visose Jungtinėse Amerikos Valstijose išsiplėtus elektros linijoms, kaimiškose vietose esančios vėjo jėgainės išnyko, o vėjo energetika tapo praeitimi. Tik pastaraisiais dešimtmečiais žmonija vėl aktyviai pradėjo domėtis vėjo energetika. Mes vėl pamatėme, kad tai yra pigi kitų energijos gamybos formų alternatyva.
Nors gyvename XXI amžiuje, bet šiandieniniai vėjo energetikos principai yra tokie pat paprasti, kaip ir XIX amžiuje. Vėjas yra tiesiog judantis oras, o kur yra judesys – ten yra kinetinė energija.
Tad vėjo turbinos sukurtos tam, kad būtų kliūtis šiai kinetinei energijai, ją sulėtintų ir konvertuotų į elektros energiją. Ši kliūtis susidaro, kai vėjas susiduria su turbinos mentimis, kurios specialiai suprojektuotos taip, kad duotų didžiausią energijos kiekį.
Tačiau turbinų menčių dizainas ir panaudojimas yra subtilus mokslas, kuris remiasi daugeliu veiksnių, tokių kaip aerodinamika ir oro pasipriešinimas.
Vėjo turbinos menčių projektavimas: dizainas, greitis ir aerodinamika
Projektuojant vėjo turbinų mentis yra daugybė svarbių faktorių į kuriuos būtina atsižvelgti, tačiau turbūt svarbiausiais iš jų yra aerodinamika.
Aerodinamika apibrėžia kieto objekto savybes ir kaip jis sąveikauja su oru. Turint tai galvoje, vėjo turbinų mentės yra suprojektuotos taip, kaip ir lėktuvo sparnai.
Menčių galai yra išlenkti daugiau nei priekinės dalys, taip kaip ir lėktuvų sparnai. Kai oras juda per tokios formos mentę, sukeliamas slėgių skirtumas ir mentės pajuda.
Dėl tokios menčių formos oras susiduria su kliūtimi ir juda greičiau už mentės nei prieš ją. Tai nulemia judančių menčių sukimasį ir prasideda elektros gamybos procesas.
Tačiau nepakanka vien tik mentes pritvirtinti priešais vėjo kryptį. Projektuojant vėjo jėgaines inžinieriai turi apsvarstyti sukimosi greičio ir stabdymo aspektus. Tai svarbu norint užtikrinti aukščiausią efektyvumo lygį.
Pavyzdžiui, jei mentės suprojektuotos taip, kad sukelia didelį sukimosi stabdymą, tada energijos gamybos našumas bus daug mažesnis. Tačiau jei nesusidaro pakankamas stabdymas, mentės gali judėti per greitai ir kelti per didelį triukšmą bei tiesiog sulūžti.
Tad vienas iš didžiausių vėjo jėgainių privalumų yra tai, kaip jos tyliai sugeba darbuotis. Jei jos bus triukšmingos, šalia jų gyvenantys žmonės priešinsis tokiai kaimynystei. Vėjo jėgainių triukšmingumo argumentas (toli gražu ne visada pagrįstai aut. past.) yra naudojamas ir Lietuvoje. Ypač, kai vietos bendruomenės priešinasi vėjo energetikos plėtrai ir nenori, kad šalia jų namų stovėtų tokie įrenginiai. Žinoma, pirmiausiai turi būti užtikrinti visi saugumo ir įstatymų reikalavimai bei vietos gyventojų interesai. Tik tada vėjo energetika susilauks vietos gyventojų pritarimo.
Pasirenkant geriausią menčių skaičių
Kalbant apskritai, dauguma vėjo jėgainių turi tris mentes ir tai tapo savotišku standartu. Tačiau toks sprendimas iš tikrųjų buvo kompromisinis.
Dėl sumažėjusio stabdymo, vienos mentės vėjo jėgainė būtų optimalus pasirinkimas. Ypač kai kalbame apie pagaminamos energijos kiekį. Tačiau viena mentis gali sukelti turbinos nestabilumą, o tai nėra geras dalykas.
Dvi mentės taip pat užtikrintų didesnį pagaminamos energijos kiekį nei trys mentės, tačiau vėlgi turi savų problemų. Dvi mentes turinčios turbinos yra labiau linkusios į reiškinį, vadinama giroskopine precesija.
Atsiranda tam tikras besisukančio objekto ašies svyravimas, toks kaip „vilkelyje“. Tad akivaizdu, jog tai sukelia turbinos stabilumo problematiką. Taip pat padidina turbinos sudedamųjų dalių dėvėjimosi greitį ir tokia vėjo jėgainė laikui bėgant tampa vis mažiau efektyvi.
Bet koks didesnis nei trijų menčių skaičius sukurtų didesnį pasipriešinimą vėjui, sulėtintų elektros energijos gamybą ir taptų mažiau efektyvus nei trijų menčių turbinos.
Būtent dėl šių priežasčių turbinos yra sukurtos taip, kad darbuotųsi su trimis mentėmis ir tai yra idealus kompromisas tarp didelio pagaminamos energijos kiekio ir didesnio patvarumo bei stabilumo.
Vėjo jėgainių ateitis: gal geriau nei vienos mentės nei trys?
Nepaisant to, kad pastaraisiais metais trijų menčių turbinos tapo standartu, tai nereiškia, kad taip bus visada. Inžinieriai ir toliau intensyviai dirba, siekdami sukurti geriau ir efektyviau dirbančias ateities vėjo jėgaines.
Viena iš šiuo metu populiariausių ir labiausiai aptarinėjamų vėjo jėgainių dizaino konstrukcijų yra turbina be menčių. Skamba gana keistai ir prieštaringai, ypač turint galvoje, kad reikia pasipriešinimo, norint vėjo energiją paversti elektra. Tačiau turbina be menčių turi porą labai svarbių privalumų.
Tai kaina ir tokių vėjų jėgainių priežiūra. Dabartinės turbinos yra veikiamos didelių krūvių. Jos gali būti veikiamos 20 apsisukimų per minutę ir pasiekti įspūdingą greitį – 289 km/h. Dėl tokių krūvių atsiranda milžiniška jėga. Dar pridėkime erozijos poveikį, kuris atsiranda veikiant nepalankioms oro sąlygoms jūrose, ir viskas taps aišku, kodėl turbinų ir jų menčių kokybė gana greitai suprastėja.
Tad reikia imtis naujų, originalių sprendimų, norint pakeisti šią situaciją. Ir tokios įmonės kaip, pavyzdžiui, „Vortex Bladeless“, sukūrė prototipines vėjo jėgaines, kurios neturi menčių. Tokios jėgainės, pasinaudodamos giroskopiniu judesio efektu, sugeba vėjo energiją paversti elektra. Skaičiuojama, kad tokio dizaino vėjo jėgainių gamyba gali kainuoti iki 50 % mažiau nei tradicinių turbinų, o laikui bėgant jos išlieka atsparesnės neigiamiems aplinkos poveikiams nei tradicinės – trijų menčių vėjo jėgainės.
Žinoma, trijų menčių turbinos dabar yra pats veiksmingiausias sprendimas. Tokios jėgainės vyrauja visame pasaulyje. Ir tokio tipo vėjo jėgainės dar bus statomos gana ilgai. Tačiau tai nereiškia, kad taip bus visada. Inžinieriai ieško vis efektyvesnių sprendimų ir vieną dieną galbūt vėjo jėgainės be menčių bus toks pats įprastas dalykas, kaip kad dabar esančios trijų menčių vėjo jėgainės. O kaip bus iš tikrųjų, pamatysime.
Pranešime yra reklaminių nuorodų.
