Požadavek na maximální využívání alternativních zdrojů je i jedním z klíčových bodů světové ekonomiky. Podle výsledků průzkumů považuje většina vyspělých zemí světa zvyšování podílu využívání alternativních zdrojů energie za jeden z prioritních úkolů.
Současný trend v energetické bilanci prosazuje vyrovnaný „energetický mix“ jednotlivých druhů zdrojů. Jejich role je přímo závislá jak na hodnocení z hlediska trvale udržitelného rozvoje, tak z hlediska ekonomických ukazatelů. Kromě primárních zdrojů (fosilní paliva, tj. klasické elektrárny, uran) to platí i pro tzv. alternativní zdroje, častěji nazývané jako zdroje obnovitelné. V měřítku existence lidstva a jeho potřeb jde o nevyčerpatelné formy energie Slunce a Země.
Mezi alternativní zdroje patří energie vody a vodních toků, geotermální energie, spalování biomasy, energie větru, energie příboje a přílivu oceánů a energie slunečního záření.
Znázornění podílu spotřeby světové energie a velikosti alternativních zdrojů energie
Větrné elektrárny
Průmysl větrné energetiky zaznamenává v Evropě rychlý rozvoj a zaujímá velmi silné postavení na světovém trhu. Jenom v Německu je zaměstnáno v tomto odvětví více jak 45 000 lidí. Významný je i technologický pokrok směřující ke stále větším větrným generátorům a ke snižování investičních nákladů. Zatímco v roce 1992 byly používány 200 kW jednotky s průměrem rotoru 35 m, v roce 2000 to byly již generátory o výkonu 900 kW (rotor – 80 m). V současné době jsou testovány větrné elektrárny s výkony do 5 MW s rotorem o průměru 140 m. Rotory jsou optimalizovány tak, aby byly minimalizovány zvukové emise. K regulaci otáček se používají stavitelné listy rotoru. Strojovny větrných elektráren jsou osazeny u většiny výrobců převodovkou a asynchronními generátory ( současný podíl cca 70 % aplikací).
Již asi 100 roků vyrábí fy Bosch Rexroth pohony a techniku s nimi související. Od začátku devadesátých let dodává fy REXROTH převodovky pro 3,2 MW zařízení. Stáli jsme tedy u vývoje větrných elektráren od jejich počátku. Spolupráce s předními univerzitami a dialog se světovými výrobci ložisek pomáhá zvyšovat technickou úroveň našich pohonů. Fy Bosch Rexroth koncentruje svoje Know-how a technické expertízy do celého spektra výrobků pro aplikace využívání obnovitelných zdrojů. Založením specielního vývojového centra, kde jsou odborní pracovníci schopni řešit nejenom problematiku pohonů a hydraulických okruhů, ale také specifika těchto technologií. Tím fy Bosch Rexroth posiluje svoji roli na trhu jako žádaného partnera pro světové výrobce větrných elektráren.
Popis větrné elektrárny
1 – rotor s rotorovou hlavicí
2 – brzda rotoru
3 – planetová převodovka
4 – spojka a brzda generátorového hřídele
5 – generátor
6 – pohon natáčení strojovny
7 – brzda točny strojovny
8 – ložisko točny strojovny
9 – hydraulický agregát brzdy rotoru a generátorového hřídele
10 – hydraulický agregát změny geometrie lopatek rotoru
Výhody a nevýhody větrných elektráren
V následujících řádcích budou se budeme věnovat popisu hydraulických a elektrických systémů větrných elektráren. Hydraulické pohony větrných elektráren musí vyhovět mnoha specifickým požadavkům a nárokům jako např.: proměnné nápory větru, přenos vysokého výkonu, omezený vestavný prostor při současném požadavku co nejmenší hmotnosti zařízení. Všechny tyto specifické požadavky a to i včetně kolísavých klimatických podmínek musí mít na zřeteli projektanti a konstruktéři těchto zařízení.
Systémy změny geometrie rotorových lopatek
Hydraulické pohony mají výhodu výkonové rezervy při rychlostním přestavení lopatek rotoru a tím také lépe odolávají silovým výkyvům při poryvech větru. Ostatní parametry, jako je přesnost nastavení geometrie, optimalizace výkonu vyráběného elektrárnou a výkonové omezení jsou porovnatelné pro oba systémy.
Bezpečnostní funkce elektrárny
Výhodou rychlosti bezpečného odstavení větrné elektrárny při naléhavých případech je u hydraulické aplikace jednoduchost a spolehlivost komponentů a dále snadná rozpojitelnost řídících prvků v případě nouzového vypnutí elektrárny. Pro hydraulické řešení také hovoří rychlost startu systému po poruchovém signálu. Hydraulický akumulátor je schopen opětovného použití za několik sekund v porovnání s elektrickým akumulátorem. Výhodou hydraulického řešení při odstavení elektrárny při nízkých teplotách je velice nízká úroveň pohotovostního výkonu a snadná monitorizace výkonu.
Opotřebení a životnost
Hydraulické akumulátory mají oproti elektrickým větší životnost. Výhodou je vyměnitelnost malých ložisek hydraulického řešení oproti velkým ozubením elektrické aplikace.
Čistota provozu a údržba
U hydraulického řešení jsou nevýhodou možné lekáže (únik kapaliny vlivem netěsnosti – pozn. redakce) a výměna komponentů jako filtru, akumulátoru, ventilů v relativně nečistém prostředí.
Hydraulické systémy větrné elektrárny
Hydraulické systémy pro nastavení geometrie listů rotoru
Pohon pro hydraulické nastavení geometrie lopatek splňuje všechny požadavky : přesná regulace na polohu, kompaktní provedení, vysokou dynamiku, dlouhou životnost a excelentní spolehlivost. Všechny tyto pohony jsou testovány na zkušební stolici a současně jsou také vzájemně sladěny všechny elektrické veličiny. Toto vzájemné odsouhlasení signálů a sladění elektrických charakteristik dovoluje velice rychlé uvedení pohonů do provozu po namontování na staveništi. Zabezpečení proti selhání je zajištěno logickým propojením jednotlivých komponentů. Jejich funkce spočívá na výlučně mechanickém principu a zaručuje tak vysokou spolehlivost. V případě, že nastane poruchový stav, jsou odstaveny lopatky turbíny do bezpečné koncové polohy pomocí akumulátoru bez nutnosti externího řízení.
U větrných elektráren s řiditelnou geometrií lopatek kontroluje elektronický regulátor několikrát za sekundu výstupní výkon turbíny. Pokud výkon začíná překračovat limitní parametry, je okamžitě zregulována geometrie lopatek rotoru a tím i výkon turbíny. Při poklesu poryvu větru opět regulátor vrací parametry zpět. Je to dosud nejpokrokovější způsob regulace výkonu větrné elektrárny a vyžaduje progresivní řídící techniku a dynamické regulační pohony. Regulátor tak neustále udržuje optimální geometrii lopatky rotoru v průběhu jedné otáčky a udržuje tak maximální dosažitelný výkon turbíny pro různé rychlosti proudění větru v odlišných nadzemních výškách.
Hydraulické pohony Bosch Rexroth splňují všechny nároky kladené na dynamický regulátor. Sestávají z hydraulického servoválce s namontovaným hydraulickým blokem a integrovaným regulačním ventilem.
Pohony jsou konstruovány pro vnitřní i vnější konstrukci uchycení – tzn. uvnitř i vně náboje rotoru turbíny. Provedení uvnitř náboje je lépe chráněno od nepříznivých klimatických podmínek. Hydraulické válce se vždy používají v provedení s tvrdě chromovanou pístnicí. U pohonů je použito monitorování lekáže a konstrukce hydraulického válce umožňuje výměnu těsnění přímo na staveništi.
Hydraulický zákaznický blok je navržen s integrovaným regulačním ventilem s regulací polohy v uzavřené smyčce. Elektrické propojení je realizováno pomocí CANopen sběrnice.
Hydraulické agregáty pro ovládání pohonů geometrie listů rotoru jsou mají specifické zákaznické provedení určené pro velké série. Jsou velice pečlivě navrhovány a od návrhu po konečné řešení jde většinou o časově a komunikačně náročné procesy.
Hydraulické brzdné systémy větrné elektrárny
Mechanické brzdění rotačních pohybů větrné elektrárny se používá v případě řízeného odstavení turbíny a jako parkovací brzda natočení azimutu strojovny pro údržbu a opravy. Pro funkci změny geometrie listů rotoru se většinou nepoužívá mechanický brzdný systém. Pro menší větrné elektrárny je většinou brzděn hřídel rotoru turbíny. Pro výkony nad 600 kW se z důvodu vysokého kroutícího momentu používá brzdný systém hřídele mezi výstupem převodové skříně a generátorem. Pro zákaznická řešení brzdných hydraulických agregátů se používá modulární kompaktní provedení s centrálním blokem s vestavnými ventily, dalšími bloky pro brzdu generátoru, brzdu natáčení azimutu strojovny a bezpečnostním blokem zámku rotoru opatřeným akumulátorem.
Planetové převodovky větrných elektráren
Převodovka generátoru
Většina větrných elektráren používá převodovky s konstantním převodovým poměrem, který mění otáčky a krouticí moment mezi rotorem a generátorem. Otáčky rotoru jsou velmi pomalé a pohybují se mezi 6 – 20 ot/min s velkým kroutícím momentem. Otáčky generátoru se pohybují mezi 900 – 2 000 ot/min s nízkým kroutícím momentem pro dosažení velké účinnosti a úpravu frekvence sítě na 50, event. 60 Hz.
Bosch Rexroth vyrábí a dodává pro větrné elektrárny dvoustupňové planetové převodovky pod označením Redulus GPV s konstatntním převodovým poměrem v rozsahu 70 – 150. Převodovky pro větrné elektrárny jsou kombinací planetových a čelních převodů, vnější ozubení kalené a cementované, vnitřní ozubení je nitridováno. Specielní technologie broušení povrchu zubů dává záruku tichého chodu. Převodovky jsou dále vybaveny senzory pro snímání tlaku oleje vlastního mazacího systému a senzory teploty oleje. Převodovky mohou být na přání dodány včetně senzorů snímání vibrací ložisek s dálkovou indikací.
Další možné převodovka jsou vyráběna s převodovými poměry 70 – 150, a tyto disponují kombinací dvou planetových stupňů, jednoho diferenciálního a dvou čelních stupňů.
Systémy pro nastavení azimutu strojovny
Téměř všechny větrné elektrárny používají mechanismus pro natáčení azimutu strojovny proti hlavnímu směru větru. Tyto mechanismy sestávají z elektromotoru/hydromotoru a planetové převodové skříně. Téměř všichni výrobci větrných elektráren používají brzděný mechanismus natáčení azimutu strojovny pokud není ve funkci. Mechanismus je aktivován elektronickým regulátorem, který několikrát za sekundu kontroluje pozici snímače směru a rychlosti větru (tzv. anemometru ) kdykoliv se turbína otáčí.
Systémy větrných elektráren s proměnným převodovým poměrem planetových převodovek a synchronním generátorem
Princip regulace větrné elektrárny pomocí převodovky s proměnlivým převodovým poměrem a synchronním generátorem s konstantními otáčkami byl poprvé úspěšně ověřen na větrné elektrárně s výkonem 3 MW v roce 1987.
Hydrostatický převod na druhém stupni planetové převodovky umožňuje plynule regulovat převodový poměr převodovky podle síly větru a rychlosti otáček rotoru větrné elektrárny. Hydraulický uzavřený okruh je tvořen dvojicí axiálních pístových jednotek s proměnným geometrickým objemem a možností reverzace otáček. Proměnlivý geometrický objem obou hydrostatických převodníků je nastavitelný pomocí integrovaných proporcionálních ventilů a elektronických řídících karet firmy Bosch Rexroth.
K výhodám tohoto systému patří rychlost a snadné připojení větrné elektrárny do vysokonapěťové sítě. Odpadá tedy nutnost instalace nákladných frekvenčních měničů a silnoproudé elektroniky. Toto řešení nabízí a umožňuje maximálně efektivní využití kinetické energie větru pro výrobu elektrické energie.
Ing. Luděk Němec, Bosch Rexroth
e-mail:
Tato emailová adresa je chráněna před spamboty, abyste ji viděli, povolte JavaScript