Tribotechnické listy

 

 

Tribologické aspekty veterných elektrární

TriboTechnika 2/2008
Ako je známe, EU stanovila pre členské štáty úlohu, zabezpečiť čiastočné krytie vlastnej energetickej spotreby tzv. „zelenou" (rozumej ekologicky čistou) energiou. Aj keď v odborných kruhoch prebieha ostrá diskusia, spochybňujúca ekologickú čistotu výroby elektrickej energie s využitím vetra, skúsenosti z USA, Nemecka, Holandska, severských štátov a i. potvrdzujú, že veterná energia má perspektívu.

Úlohou tohoto príspevku nie je polemizovať na danú tému, ale podívať sa na veterné elektrárne z tribologického hľadiska, ktoré nás najviac zaujíma.

Základné konštrukčné komponenty veternej elektrárne

Základ - Nesie celú konštrukciu elektrárne

Stožiar - Stožiare sú vysoké obvykle 10 až 100m, pričom s rastúcou výškou stúpa nielen výkon, ale aj zriaďovacie náklady kvôli nákladnej statike sústavy. Sú vyrobené z ocele alebo z betónu (zriedka z dreva) a slúžia na uchytenie gondoly, rotora, prevodovky a generátora.

Gondola - Gondolu tvorí základný rám, nosník a plášť pre uloženie prevodovky s brzdou a generátora. Slúži na zachytenie všetkých síl a momentov vznikajúcich na vrchole stožiara.

Rotor s listami - Platí, že čím je menší počet listov, tým musí byť vyšší počet otáčok, aby sa za rovnaký čas mohla využiť rovnaká aktívna plocha listov. Moderné listy rotora sú vyrobené z umelých hmôt.

Prevodovka a brzda - Prevodovka slúži na premenu relatívne malého počtu otáčok rotora na inštalované menovité otáčky generátora.

Hriadeľ rotora - Hriadeľ rotora zabezpečuje spojenie medzi rotorom a prevodovkou.

Generátor - Slúži na premenu mechanickej energie na elektrickú. Použiteľné sú synchronné ako aj asynchronné generátory.

Riadenie polohy - Zabezpečuje automatické nastavenie uhla medzi gondolou/rotorom a smerom prúdenia vetra.

S výnimkou základu všetky uvedené konštrukčné komponenty predstavujú špecifické tribologické uzly. Spomeňme aspoň niektoré.

Stožiar (veža)

Stožiar je v prevádzke veternej elektrárne vystavený dynamickému účinku meniaceho sa vetra, charakterizovaného smerom prúdenia, rýchlosťou, vlhkosťou, teplotou a chemickým a mechanickým znečistením. Okrem abrazívneho opotrebenia a korozného namáhania je to aj zvýšená emisia hluku z titulu vírenia v záveternej strane veže, ktorá dotvára komplexnosť tohoto tribologického uzla.

Moderná konštrukcia stožiarov, hlavne pre väčšie výkony elektrárne, je založená na použití dutých oceľových komolých kužeľov s vnútornou prírubou, vzájomne pospájaných skrutkovými spojmi, ktoré rovnako predstavujú špecifické tribologické uzly.

Gondola

Pohľad do útrob gondoly prezrádza, že sa tam nachádzajú najdôležitejšie mechanizmy veternej elektrárne - generátor, prevodovka, brzda, hlavný hriadeľ a jeho uloženie. Jej hmotnosť dosahuje u vyšších výkonov elektrárne až 75 ton. Gondola je na stožiari uložená otočne cez ozubený veniec a azimutovú prevodovku (obr. 4), ktorá dostáva impulz od anemometra a natáča rotor v smere vetra. Vzhľadom k dĺžke ramena (výška stožiara cca 100 m) hmotnosti gondoly a kinetickej energii vetra je to zo statického hľadiska kritický konštrukčný uzol podobne ako ukotvenie stožiara k základu pomocou skrutkových spojov.

Rotor s listami

Rotor s priskrutkovanými listami je najzložitejším tribologickým uzlom veternej elektrárne. Kvôli predstave si treba uvedomiť, že v závislosti od výkonu môže priemer rotora dosiahnuť až 80 a viac metrov. Súčasné listy rotora sú vyrábané z umelých hmôt a ich tvar a dimenzia sú výsledkom zložitých výpočtov metódou konečných prvkov. Nie je to iba pevnostné kritérium, ktoré musí konštruktér v tomto prípade zohľadniť. Rovnako dôležitý je aj aerodynamický tvar (moderná konštrukcia listov umožňuje ich automatické natáčanie okolo vlastnej osi s cieľom zaujať optimálnu aerodynamickú polohu) a tribologické hľadisko. Na nábehovej strane listov sa dajú výhodne uplatniť poznatky z nanotribológie s cieľom zníženia trenia a opotrebenia.

Prevodovka a brzda

Sú to klasické tribologické uzly. Za zmienku stojí poznámka o rozdielnom význame trenia pri týchto konštrukčných elementoch. Pri prevodovke je trenie nežiadúce, preto si vyžaduje mazanie, pri brzde je podmienkou jej funkcie. Pomery sú adekvátne automobilu. Veterné elektrárne majú obvykle dve brzdy, jednu za rotorom a jedna sa nachádza medzi prevodovkou a generátorom.

Hriadeľ rotora a generátor

Hriadeľ prenáša krutiaci moment od rotora cez prevodovku na generátor, ktorý ho mení na elektrickú energiu. Prírubový koniec hriadeľa je priskrutkovaný k rotoru a druhý koniec uložený vo valivom ložisku(-ách). V konštrukcii veternej elektrárne je niekoľko valivých uložení, ktoré reprezentujú typické tribologické uzly.

Nech skončí diskusia o zmysluplnosti využívania veternej energie akokoľvek, tribológia je pripravená. Ak dá Stribog (staroslovanský boh vetra) dobrý vietor do plachiet, môžu sa začať stavať veterné parky. Podľa prepočtov Medzinárodnej agentúry pre energiu (IEA) by mohla veterná energia do roku 2050 pokrývať 30 až 35 percent celkovej spotreby elektrického prúdu. Veterné elektrárne predstavujú zaujímavý tribologický problém, na riešenie ktorého sa väčšinou dajú aplikovať už známe princípy z iných oblasti ako je výroba automobilov, letecký priemysel a pod. Doplnené o najnovšie poznatky z výskumu tribofyziky a najmä nanotribológie je tribológia schopná aj u veterných elektrárni splniť svoje základné poslanie - znižovať energetické straty z titulu trenia a zabezpečiť ekonomickú životnosť relevantných konštrukčných uzlov a tým celej konštrukcie.

Ing. Jozef Dominik, CSc.

Späť

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd