Google

Budowa elektrowni wiatrowej

Budowa turbiny wiatrowej

Image

Główny element siłowni wiatrowej to wirnik przekształcający energię wiatru w energię mechaniczną, z której z kolei generator produkuje energię elektryczną. Osadzony na wale wolnoobrotowym wirnik posiada zwykle trzy łopaty, wykonane ze wzmocnionego poliestrem włókna szklanego. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością od 15 do 30 obrotów na minutę. Prędkość ta zostaje następnie zwiększona przez przekładnię do 1500 obrotów na minutę. Przekładania połączona jest z wałem szybkoobrotowym, a ten z kolei z generatorem. 

ImageGenerator, przekładnia, a także monitorujący siłownię system sterowania oraz układy smarowania, chłodzenia i hamulec umieszczone są w gondoli, zamocowanej wraz z wirnikiem na stalowej wieży o wysokości od 30 do 100 m. Na szczycie wieży znajduje się silnik i przekładnia zębata, których zadaniem jest obracanie wirnika i gondoli w kierunku wiatru. Budowa siłowni wiatrowych o niewielkich mocach jest znacznie prostsza. Nie posiadają one na przykład mechanizmów ustawienia łopat, a ich konstrukcja umożliwia wyłączenie elektrowni poprzez pionowe ustawienie wirnika.

Turbiny wiatrowe są wyposażone w układ kontroli, który pozwala uniknąć mechanicznego uszkodzenia elektrowni i umożliwia jak najefektywniejsze wykorzystywanie jej potencjału. Na przykład turbiny wiatrowe na farmie w Crookwell w australijskiej prowincji Południowa Nowa Walia (nawiasem mówiąc, była to pierwsza australijska farma wiatrowa podłączona do sieci energetycznej) są wyłączane, gdy prędkość wiatru przekracza 72 km/h. Komputerowy system kontroli, korzystający z danych dotyczących kierunku i prędkości wiatru pozwala im także kierować się zawsze w odpowiednią stronę.

Rodzaje turbin

Turbiny o poziomej osi obrotu

Najbardziej rozpowszechnione są turbiny o poziomej osi obrotu, składające się z wysokiej wieży, zakończonej przypominającym śmigło wirnikiem. Wirnik posiada zwykle trzy łopaty, choć istnieją także konstrukcje, w których łopat jest mniej – dwie lub nawet jedna – bądź więcej – przykładem mogą być kilkunastołopatowe wiatraki amerykańskie, używane do napędzania pomp wodnych. By osiągnąć maksymalną efektywność, turbiny o poziomej osi obrotu muszą być zwrócone dokładnie w kierunku wiatru, umiejscowienie wirnika w stosunku do wiejącego wiatru może być jednak różne. Wśród turbin o poziomej osi obrotu wyróżnia się:

  • turbiny, w których wirnik znajduje się przed masztem
  • i turbiny, o wirniku zamocowanym za masztem.

To ostatnie rozwiązanie nie jest zbyt popularne z uwagi na straty powodowane częściowym zacienianiem wirnika przez maszt.

Turbiny o pionowej osi obrotu

Niewielki procent wszystkich turbin wiatrowych stanowią turbiny o pionowej osi obrotu. Ich przykłady to:

  • przypominająca z wyglądu trzepaczkę do ubijania piany turbina Darrieusa, wynaleziona we Francji w latach 20. minionego wieku oraz
  • wynaleziona w Finlandii turbina Savoniusa, która widziana z góry kształtem przypomina literę „s”.

Turbina ta nie powinna być stosowana w rejonach o nienajlepszych warunkach wiatrowych, ponieważ nie może osiągać prędkości większej, niż prędkość wiejącego w danej chwili wiatru. Mniej wydajna niż turbina o poziomej osi obrotu, osiągająca małe prędkości turbina Savoniusa nie nadaje się do produkcji energii elektrycznej, może być za to wykorzystywana do mielenia ziarna, pompowania wody i wielu innych zadań.

Generatory

Większość współczesnych elektrowni wiatrowych jest wyposażona w stosowane w siłowniach wiatrowych o stałej prędkości obrotowej generatory asynchroniczne. Zaletą tego typu siłowni jest łatwość podłączenia do sieci energetycznej, wadą zaś konieczność używania przekładni o dużym stopniu przełożenia – największą moc użyteczną generatory asynchroniczne wytwarzają bowiem przy prędkości obrotowej znacznie przekraczającej prędkość obrotową wirnika. Inny minus takich rozwiązań to spadek ogólnej sprawności elektrowni, wywołany stałą prędkością obrotową wirnika niezależną od prędkości wiatru, a także fakt, że przekładnie o dużym stopniu przełożenia stanowią najbardziej awaryjny i hałaśliwy zespół siłowni wiatrowej.

Przekładnia nie jest potrzebna, gdy wykorzystuje się generatory o zmiennej prędkości obrotowej, które wytwarzają moc użyteczną przy małych prędkościach obrotowych i mogą być podłączone bezpośrednio do wirnika. Dzięki małym prędkościom obrotowym i wyeliminowaniu przekładni, tego typu konstrukcje są prostsze, nie zużywają się tak szybko i nie emitują tak dużego hałasu. Zmienne obroty natomiast zwiększają sprawność elektrowni i jej wydajność energetyczną. Słabą stroną takich rozwiązań jest jednak konieczność stosowania przemienników napięcia i częstotliwości, bez których niemożliwe byłoby podłączenie elektrowni do sieci. Parametry energii elektrycznej, wytwarzanej przez generatory o zmiennej prędkości obrotowej różnią się bowiem od parametrów sieci energetycznej.

Turbina mała czy duża?

Moc zainstalowana współczesnych parków wiatrowych dochodzi nawet do setek MW. Wraz z jej wzrostem zwiększa się także moc i – co za tym idzie – rozmiar pojedynczych turbin, produkujących energię elektryczną o wartości nawet kilku MW i zamocowanych na wieżach, których wysokość sięga aż 100 m. Tak duże turbiny wiatrowe wymagają jednak szczególnie dobrych warunków wiatrowych i rozległych niezabudowanych terenów. Nie wszędzie występują takie warunki, poza tym stosowanie dużych turbin wiatrowych pociąga za sobą pewne problemy.

Duże turbiny wiatrowe:

  • „zanieczyszczają wizualnie środowisko”, czyli po prostu szpecą krajobraz,
  • emitują uciążliwy monotonny hałas, a także
  • stanowią zagrożenie dla ptaków i nietoperzy.

Image

Gdy panujące w danym miejscu warunki nie pozwalają na wykorzystywanie dużych turbin wiatrowych lub, gdy inwestorowi zależy na uniknięciu wyżej wymienionych problemów, rozwiązaniem pozostaje stosowanie turbin małych, o mocy od 0,1 do 100 kW. Pracują one cicho, nie stwarzają niebezpieczeństwa dla ptaków i nie tylko nie szpecą otoczenia, lecz mogą wręcz podnosić jego walory estetyczne, stanowiąc część dekoracyjnych elementów architektonicznych. Poza tym niektóre miejsca szczególnie sprzyjają wykorzystaniu małych turbin wiatrowych.

Turbiny te sprawdzają się zwłaszcza:

  • na terenach o mniej korzystnych warunkach wiatrowych, gdzie potrzebne są niewielkie ilości energii elektrycznej,
  • na obszarach trudno dostępnych – zaletą małych turbin wiatrowych jest bowiem ich przenośna konstrukcja,
  • na dalekiej północy, gdzie ilość światła jest niewielka i małe turbiny wiatrowe efektywniej niż ogniwa fotowoltaiczne zasilają stacje telefonii komórkowej,
  • w warunkach ekstremalnych, przy bardzo silnych wiatrach, w skrajnych temperaturach. Małe turbiny wiatrowe o pionowej osi i mocy około 10 kW wytrzymują nawet cyklony, sztormy i burze piaskowe, mogą też pracować w temperaturach od -50 do 50 st. C. Tego typu rozwiązania były testowane we włoskich Alpach, gdzie na wysokości 3150 m. n.p.m. prędkość wiatru sięga ponad 250 km/h.

W fazie projektu jest koncepcja wykorzystania małych turbin wiatrowych na terenach zabudowanych, gdzie budynki mają pełnić rolę koncentratorów prędkości wiatru. Turbina wiatrowa byłaby umieszczana bądź w najwęższym miejscu między zabudowaniami, bądź też na dachu budynku, gdyż - jak wykazują symulacje komputerowe – kilka metrów nad dachem prędkość wiatru jest o 30% większa niż na tej samej wysokości na terenie niezabudowanym.

Moc zainstalowana to moc znamionowa generatora, będącego częścią instalacji, wykorzystującej odnawialne źródło energii – na przykład elektrowni wiatrowej.

Małe turbiny wiatrowe można z powodzeniem wykorzystywać:

  • na jachtach i łódkach,
  • do podświetlania tablic informacyjnych nocą,
  • do zasilania systemów sygnalizacyjnych,
  • do zasilania systemów pomiarowych,
  • do ładowania baterii.

Wraz z postępem technicznym wydajność turbin wzrasta. Na przykład jedna z firm ma w swojej ofercie wysokie na 2,4 m turbiny o powierzchni 2,973 m2, które przy wietrze wiejącym z prędkością 5 m/s produkują 57 W mocy, zaś przy wietrze o prędkości 14 m/s wytwarzają już 1259 W.

Image

Dlaczego elektrownie wiatrowe hałasują?

Głównym „sprawcą” hałasu emitowanego przez elektrownie wiatrowe są łopaty wirnika, które obracając się natrafiają na opór powietrza, poza tym do powstawania uciążliwego szumu przyczynia się także układ przeniesienia mocy, czyli wirnik, przekładnia i generator. Im większa moc elektrowni, im starsza technologia, im mniej aerodynamiczna konstrukcja łopat, tym większy hałas, powodowany przez turbinę. Redukcji poziomu hałasu, który jest szczególnie dokuczliwy przy wietrze o małych i średnich prędkościach służy stosowanie nowoczesnych technologii (współczesne turbiny wiatrowe pracują ciszej od swych poprzedniczek), by zaś zneutralizować wpływ hałasu na ludzi należy zachować odpowiedni dystans między elektrownią wiatrową a zabudową mieszkaniową. Polskie prawo wymaga, by hałas emitowany w porze nocnej na obszarach zabudowy jednorodzinnej i na terenach wypoczynkowo-rekreacyjnych poza miastem nie przekraczał 40 decybeli.

 

Źródła:

  • Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, EC BREC/IMBER, 2003
  • www.elektrownie-wiatrowe.org.pl
  • www.eere.energy.gov
  • www.re-energy.ca
  • www.zielonaenergia.pl
  • www.krainaenea.pl
  • www.argylecounty.com.au/nature/windfarm

Za pozycjonowanie tego serwisu odpowiada Sunrise System.

Copyright © 2007 - Biomasa | Realizacja: SoftTree.pl | Programowanie: Maszyna.pl