Yra mokslinės priežastys, kodėl būtent 3 mentės yra geriausias sprendimas.
Žmonės vėjo energiją savo poreikiams pritaikė jau seniai. Nuo burlaivių iki vėjo malūnų – visą žmonijos istoriją vėjas buvo ir yra labai svarbus.
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 jūrų pakrantėse.
Kodėl būtent trys?
Tačiau kodėl tų vėjo jėgainių dizainas toks išskirtinis? Kodėl jos turi tris mentes (arba dar kitaip vadinamus ašmenis)? Kodėl būtent toks skaičius, nei daugiau ir ne mažiau? Atsakymai slypi vėjo jėgainių inžinerijoje ir siekyje maksimaliai padidinti energijos gamybos efektyvumą.
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 praeito amžiaus ketvirtojo dešimtmečio vidurio daugelis Amerikos kaimiškų vietovių priklausė nuo vėjo energijos. Tai buvo vienintelis elektros energijos šaltinis. Tokios turbinos buvo prieinamos ir ekonomiškai naudingos, ir ypač patogios 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 šia sritimi: 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.
Dizainas, greitis ir aerodinamika
Projektuojant vėjo turbinų mentes, 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 sukimąsi 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 suketų 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 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 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 apibendrintai, dauguma šiuolaikinių 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 mentė gali sukelti turbinos nestabilumą, o tai nėra geras dalykas.
Dvi mentės taip pat užtikrintų didesnį pagaminamos energijos kiekį nei trys mentės, tačiau vėl gi turi savų problemų. Dvi mentes turinčios turbinos yra labiau linkusios į reiškinį, vadinama giroskopine precesija: atsiranda tam tikras besisukančio objekto ašies svyravimas, toks pats, kaip žaisliuke-vilkelyje. Tad akivaizdu, jog tai sukelia turbinos stabilumo problematiką. Taip pat tai 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 trimis mentėmis – ir tai yra idealus kompromisas tarp didelio pagaminamos energijos kiekio ir didesnio patvarumo bei stabilumo.
Vėjo jėgainių ateitis: gal išvis be menčių?
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 norint vėjo energiją paversti elektra, reikia pasipriešinimo. Tačiau turbina be menčių turi porą labai svarbių privalumų.
Ir tai yra kaina bei tokių vėjų jėgainių priežiūra. Dabartines turbinas veikia dideli krūviai. 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 norint pakeisti šią situaciją, reikia imtis naujų, originalių sprendimų. 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.
