1 .Wstęp

Energetyka wiatrowa jest obecnie dynamicznie rozwijającą się

gałęzią przemysłu. Całkowita moc zainstalowana elektrowni

wiatrowych na świecie wyniosła na koniec 2002 roku 31

157 MW, z czego aż 6 898 MW wybudowanych zostało w

roku 2002. Najsilniej sektor ten rozwija się w Europie, gdzie

w samym roku 2002 powstało 6 013 MW. Tempo przyrostu

inwestycji jest w ostatnich latach tak wysokie, że

Europejskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej (EWEA)

zdecydowało się zwiększyć o 50 % planowane cele

ilościowe rozwoju energetyki wiatrowej w Europie do roku

2010 (z planowanych 40 000 MW do 60 000 MW)15.

Najnowsze prognozy wskazują na dalsze szybkie tempo

rozwoju tego sektora i znaczący jego wpływ na przyszłą

strukturę wytwarzania energii elektrycznej na świecie.[7]

Wg oficjalnych dokumentów przygotowanych przez ONZ na

.Szczyt Ziemi. w Johannesburgu, energetyka wiatrowa

ma wnieść w najbliższych latach największy wkład w

zwiększenie produkcji energii elektrycznej z nowych

źródeł odnawialnych, a moc zainstalowana w

elektrowniach wiatrowych w 2010 r. ma wzrosnąć do

100 000- 150 000 MW. Jak dotychczas szczególnie silny

wzrost wykorzystania energii wiatru notowany jest w

Niemczech. Kraj ten dysponował na koniec 2002 r.

siłowniami wiatrowymi o łącznej mocy zainstalowanej

12 001 MW (46,1% europejskiej i 34,4 % światowej

mocy zainstalowanej), z czego 3247MW powstało w roku

2002.[7]

Obecnie jest to najsilniej rozwijający się rynek dla

energetyki wiatrowej. Na dalszych miejscach znajdują

się Hiszpania, Dania i Włochy. Według danych

Bundesverband Windenergie w Niemczech prywatne

inwestycje w energetykę wiatrową sięgnęły wartością

1,1 mld DM, obroty firm działających w tym sektorze

przekroczyły 2,6 mld DM, a liczba zatrudnionych 25 000

osób (dane za rok 2000).

Moc zainstalowana elektrowni wiatrowych na

całym świecie - stan na 31.12.2002 r.

Zmiany mocy zainstalowanej oraz
rozmiarów średnicy wirnika pojedynczej

elektrowni wiatrowej

W wyniku postępu technologicznego oraz na skutek wzrostu ilości

seryjnie produkowanych elektrowni wiatrowych (ekonomika skali)

nastąpiło znaczne obniżenie nakładów inwestycyjnych w przeliczeniu

na jednostkę mocy zainstalowanej elektrowni wiatrowej.

W Hiszpanii w 1990 r. średnie nakłady inwestycyjne w

przeliczeniu na 1 kW mocy zainstalowanej urządzeń wynosiły ok. 1

750 EUR natomiast w roku 1999 już tylko ok. 900 EUR.

W ostatnich 2-3 latach zauważalne jest jednak znaczne zmniejszenie

dynamiki spadku jednostkowych nakładów inwestycyjnych,

charakterystyczne dla produktów o wysokiej dojrzałości. W związku z

tym w najbliższych latach można spodziewać się, że koszty

inwestycyjne będą zbliżone do dzisiejszych

Koszty produkcji energii elektrycznej z elektrowni wiatrowych są silnie

uzależnione zarówno od ram instytucjonalnych i prawnych oraz

ekonomicznych w danym państwie, jak i warunków wiatrowych w

miejscu lokalizacji elektrowni. Dla elektrowni wiatrowych położonych

w miejscach o średniorocznej prędkości wiatru ok. 5 m/s minimalne

koszty produkcji 1 kWh energii wyniosły 0,065 EUR/kWh (ok. 0,2688

zł/kWh), a maksymalne 0,135 EUR/kWh (ok. 0,5583 zł/kWh). Na

rysunku 7 przedstawiono minimalne, przeciętne oraz maksymalne

koszty produkcji energii dla przedziału średniorocznej prędkości

wiatru od 5m/s do 10m/s.

Zakres zmienności kosztów produkcji energii elektrycznej
w zależności od średniorocznej prędkości wiatru na

wysokości środka wirnika (piasty) elektrowni wiatrowej

W Polsce działa jedynie 42 elektrowni wiatrowych, o mocy powyżej 30

kW, przyłączonych do sieci elektroenergetycznej. Jedenaście z nich to

polskie konstrukcje wyprodukowane w Fabryce Urządzeń Górniczych
NOWOMAG w Nowym Sączu. Całkowita moc zainstalowana do końca

2002 roku wyniosła około 57,08 MW

Moc zainstalowanych elektrowni w Polsce

Szacuje się, że przy aktualnej mocy zainstalowanej elektrowni

wiatrowych w Polsce na poziomie 27,08 MW, ich średnioroczna

produkcja energii elektrycznej wyniesie 34,54 GWh. Porównując to z

energią elektryczną wprowadzoną do sieci w 2000 r. w wysokości 130

784 GWh, udział energii z elektrowni wiatrowych wyniósłby 0,047 %.

Do końca 2000 r. rozwój inwestycji w sektorze energetyki

wiatrowej na świecie praktycznie nie przekładał się na rozwój tego

sektora w Polsce. Obecnie pomimo znacznego zainteresowania tą

dziedziną również w Polsce, co uwidocznione jest poprzez

rozpoczęte przygotowania nowych inwestycji, projekty te jak

dotychczas rzadko przechodzą w fazę ich realizacji.

Szacuje się, iż pod koniec 2001 r. w trakcie przygotowania były

inwestycje lokalizowane na terenie kraju na lądzie, których łączna

moc może sięgać 4 000 MW, z czego ponad 700 MW uzyskało

warunki przyłączenia do sieci elektroenergetycznej. Natomiast w

przypadku elektrowni wiatrowych planowanych na obszarach

morskich, zarówno w wyłącznej strefie ekonomicznej jak i na

morzu terytorialnym, przybliżona moc zgłaszanych wstępnie

projektów wynosi 3000 MW.

W większości są to jednak projekty w początkowej fazie procesu

inwestycyjnego, czyli na etapie wstępnych koncepcji oraz badań

lokalnych warunków wiatrowych.

Ceny sprzedaży energii z elektrowni wiatrowych w roku 2000

ustanowione w okresie obowiązywania rozporządzenia28 Ministra

Gospodarki z dnia 2 lutego 1999 r. wahały się w

granicach od 0,15 zł/kWh do 0,32 zł/kWh. Należy jednak zaznaczyć,

że przedstawione ceny sprzedaży w żaden sposób nie odwzorowują

rzeczywistych kosztów produkcji energii w elektrowniach wiatrowych.

Większość z dotychczas zrealizowanych w Polsce inwestycji

korzystała w znacznym stopniu z dotacji oraz kredytów

preferencyjnych z funduszów ekologicznych bądź programów

pomocowych Unii Europejskiej. Wykonana przez EC BREC na zlecenie

Ministra Środowiska ekspertyza30 wykazała, że energia

wyprodukowana przez elektrownię wiatrową zlokalizowaną w pasie

nadmorskim (preferencyjne warunki wiatrowe), której koszty

inwestycyjne pokryte byłyby wyłącznie z komercyjnych kredytów z

banków polskich, w warunkach 1999 r wyniosłaby. - 0,51 zł/kWh.

Ponieważ instalacja ta była jedną z pierwszych w Polsce jej nakłady

inwestycyjne były wysokie, podobnie jak wysoka była stopa

oprocentowania kredytów.

Aktualnie ze względu na nieco większą wydajność nowoczesnych

elektrowni, nieco niższe koszty jednostkowe inwestycji, oraz

możliwość korzystania z tańszych kredytów, można szacować,

iż koszty produkcji energii w elektrowni wiatrowej zlokalizowanej w

obszarze o preferencyjnych warunkach wiatrowych wyniosą od ok.

0,25 zł/kWh (przy wyjątkowo dobrych lokalizacjach) do 0,40

zł/kWh. Niestety, obecnie nawet przy zoptymalizowanych kosztach

produkcji energii trudno byłoby konkurować na wolnym rynku z

energią wytworzoną z paliw kopalnych, w której cenę nie byłyby

wliczone wszystkie koszty zewnętrzne.

Biorąc jednak pod uwagę deklaracje inwestorów zagranicznych, jak

również ceny za tę energię w krajach Unii Europejskiej wydaje się

możliwe stopniowe obniżanie kosztów energii elektrycznej z

elektrowni wiatrowych do poziomu ok. 0,20 zł/kWh. Ceny energii

elektrycznej w takiej wysokości nie utrudniłyby rozwoju energetyki

wiatrowej na terenach najdogodniejszych a jednocześnie pozwoliłyby

na utrzymanie społecznych kosztów jej rozwoju w rozsądnych

granicach.

Nowe rozporządzenie31 Ministra Gospodarki w sprawie obowiązku

zakupu energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych obowiązujące od

1 stycznia 2001 r. zobowiązało przedsiębiorstwa obrotu energią

elektryczną do posiadania w bilansie sprzedaży określonego udziału

energii wyprodukowanej ze źródeł odnawialnych. Umożliwienie

wypełnienia tego obowiązku poprzez zakup energii wyprodukowanej

w dużych elektrowniach wodnych spowodowało znaczne zaniżenie

oferowanej przez przedsiębiorstwa obrotu ceny zakupu energii ze

źródeł odnawialnych

Produkcja głównych zespołów elektrowni jest
powiązana odpowiadającymi im dziedzinami

przemysłu:

konstrukcja wież, gondoli oraz piast wirników to jest
przemysł stalowy, hutniczy,
generatory, transformatory, układy regulacji to jest
przemysł elektromaszynowy
kompozytowe skrzydła wirników to jest przemysł
lotniczy,
układy automatyki i sterowania to jest automatyka i
elektronika przemysłowa.
przekładnie, wały, sprzęgła, hamulce, łożyska, systemy
hydrauliczne i pneumatyczne to przemysł maszynowy

Należy jednak mieć na uwadze fakt, że mimo podobieństwa

niektórych komponentów elektrowni wiatrowych do

produkowanych wcześniej części innych maszyn i urządzeń, do ich

produkcji niezbędna jest specjalistyczna wiedza i doświadczenie.

Wynika to ze specyfiki warunków pracy, typu obciążeń

mechanicznych, wymagań eksploatacyjnych itp., niekoniecznie

znanych w odpowiednim zakresie w innych dziedzinach przemysłu

i nauk technicznych

Rodzaje elektrowni wiatrowych o
poziomej osi obrotu ze względu na

napęd

Wśród elektrowni wiatrowych o poziomej osi obrotu
możemy wyróżnić elektrownie:



z przekładnią,



bez przekładni

Elektrownia wiatrowa bez przekładni

Odmienną, nowatorską w stosunku do wszystkich dotychczasowych

rozwiązań, koncepcję budowy siłowni wiatrowych jest elektrownia

bez przekładni, w której wirnik sprzęgnięty jest bezpośrednio ze

specjalnym pierścieniowym generatorem prądu przemiennego.

Rozwiązanie to zastosowano już w produkowanym typoszeregu

siłowni firmy

{}

o mocach od 30 do 1500 kW. Istota zastosowanego

tu rozwiązania tkwi w konstrukcji specjalnego, pierścieniowego

generatora prądu przemiennego o dużej średnicy, który przy

małych nawet prędkościach wiatrów pozwala na osiąganie

optymalnych sprawności. Stojan generatora jest zabudowany w

ramie agregatu prądotwórczego, natomiast bezpośrednio

sprzęgnięte ze sobą wirniki: łopatowy i prądnicy są ułożyskowane

na nieruchomym czopie stanowiącym element ramy. Rozwinięcie

powierzchni zewnętrznych stojana sprzyja dobremu odprowadzaniu

ciepła, jakie powstaje w czasie pracy generatora i utrzymuje

temperaturę jego uzwojeń na niskim poziomie. Zatopione metodą

podciśnieniową w żywicach epoksydowych, posiadają klasę izolacji

F (150 st. C).

Ich miedziane przewody są powlekane specjalnym lakierem

gwarantującym wysoki stopień bezpieczeństwa i dużą trwałość. Układ

regulacji kąta natarcia łopat, którego wielkość decyduje o obrotach

wirnika, składa się z trzech niezależnie działających, synchronicznych

napędów elektrycznych. Służą one do optymalizacji ustawienia płatów

wirnika w dostosowaniu do prędkości i siły wiatru. W razie potrzeby

każdą z łopat można też ustawiać indywidualnie. Elektroniczny

system dostrajania obrotów wirnika do siły wiatru umożliwia nie tylko

lepsze odzyskiwanie jego energii, ale zapewnia dostosowanie

chwilowych częstotliwości wytwarzanego prądu do warunków

dyktowanych przez sieci energetyczne. Łopaty wirnika są wykonane z

żywic epoksydowych, które znacznie lepiej znoszą duże obciążenia

niż żywice poliestrowe wzmacniane włóknem szklanym. Materiał ten

dobrze utrzymuje kształt profilu łopat, mniej nasiąka wilgocią i

wykazuje większą trwałość. Powłokowa struktura łopat nie tylko

nadaje im lekkość, ale sprawia że są one elastyczne. Przy

gwałtownych porywach wiatru łagodzi to chwilowe obciążenia wirnika

i wieży. Nowością jest tu system ogrzewania łopat (wprowadzany na

zamówienie), który sprawdził się w warunkach atmosferycznych

sprzyjających oblodzeniu płatów.

Gondola bez przekładni

Nad prawidłowością przebiegu optymalnego wykorzystania siły

wiatru czuwa system regulacji sterowany mikroprocesorem. W

układzie tym informacje pochodzące od czujników przekazujących

dane o chwilowym kierunku i prędkości wiatru przetwarzane są na

dyspozycje co do ustawienia gondoli i wyboru kąta natarcia łopat,

który to kąt decyduje o obrotach wirnika i optymalnym wyzyskaniu

energii niesionej podmuchem. Zestrajanie chwilowych częstotliwości -

zmiennych w wyniku zróżnicowanych obrotów wirnika (10 - 20,3 min-

1) - z częstotliwością sieci energetycznej, odbywa się za pomocą

przetwornicy częstotliwości.

System ten funkcjonuje sprawnie w przedziale prędkości wiatru od

2,5 m/s do 13 m/s. W przypadku porywów gwałtownych, system

wspomaga układ hamulców mechanicznych, działających

bezpośrednio na wirnik generatora. Zaletą siłowni, w których

multiplikację obrotów wirnika za pomocą przekładni zastąpiono

generatorem pierścieniowym, jest prostsza budowa, eliminacja oleju i

chłodnic, a także cichsza praca i mniejsze nakłady na utrzymanie

ruchu. Do wad natomiast należy zaliczyć większy ciężar i cenę

Gondola bez przekładni

Elektrownia wiatrowa z przekładnią

Wirnik osadzony jest na wale, poprzez który napędzany jest

generator. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością 15-20 obr/min,

natomiast typowy generator asynchroniczny wytwarza energię

elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min. W związku z tym

niezbędne jest użycie skrzyni przekładniowej, w której dokonuje się

zwiększenie prędkości obrotowej. W piaście wirnika umieszczony jest

serwomechanizm pozwalający na ustawienie kąta nachylenia łopat

(skoku).

Gondola składa się z wirnika, dwóch

łożysk, przekładni, generatora

Gondola musi mieć możliwość obracania się o 360 stopni, aby

zawsze można ustawić ją pod wiatr. W związku z tym na szczycie

wieży zainstalowany jest silnik, który poprzez przekładnię zębatą

może ją obracać. W elektrowniach małej mocy, gdzie masa gondoli

jest stosunkowo mała, jej ustawienie pod wiatr zapewnia ster

kierunkowy zintegrowany z gondolą. Pracą mechanizmu ustawienia

łopat, i kierunkowania elektrowni zarządza układ mikroprocesorowy
na podstawie danych wejściowych (np. prędkości i kierunku wiatru).

Ponadto w gondoli znajdują się: transformator, łożyska, układy

smarowania oraz hamulec zapewniający zatrzymanie wirnika w

sytuacjach awaryjnych.

Budowa elektrowni wiatrowej firmy

Vestas V80 (2 MW)

1)sterownik piasty 2) cylinder

systemu sterowania łopatami

3) oś główna 4) chłodnica oleju

5) skrzynia przekładniowa 6)

sterownik VIP z konwerterem 7)

hamulec postojowy 8) dźwig

serwisowy 9) transformator 10)

piasta wirnika 11) łożysko

łopaty 12) łopata 13) układ

blokowania wirnika 14) układ

hydrauliczny 15) tarcza

hydraulicznego układu

hamowania wirnika 16)

pierścień układu kierunkowania

17) rama 18) koła zębate

układu kierunkowania 19)

generator 20) chłodnica

generatora

Elementy składowe elektrowni wiatrowej o

poziomej osi obrotu

Na elektrownie składają się następujące elementy:
 

Anemometr – mierzy prędkość wiatru i przekazuje dane o niej do
sterownika
Hamulec – hamulec tarczowy który może być sterowany
mechanicznie, elektrycznie lub hydraulicznie, aby zatrzymać wirnik
w razie konieczności
Przekładnia – łączy wał wolnoobrotowy z wałem szybkoobrotowym i
zwiększa prędkość obrotową z około 30 - 60 obr/min do 1200 – 1500
obr/min . Przekładnia jest elementem drogim i prowadzi się pracę
nad napędem bezpośrednim.
Wał wysokoobrotowy – napędza generator
Wał niskoobrotowy – wirnik obraca wał niskoobrotowy
Wirnik – zespół łopat i piasty
Wiatrowskaz – wyznacza kierunek wiatru i komunikuje się z
napędem
ustawienia kierunku, aby właściwie ustawić turbinę względem
wiatru.
Napęd ustawienia kierunku – ustawia turbinę frontem do wiatru.
Silnik ustawienia kierunku – napędza przekładnię ustawienia
kierunku..

Wykaz elementów elektrowni wiatrowej

Łopaty

Projektowanie łopaty jest zadaniem niezwykle skomplikowanym. Płat
musi posiadać następujące cechy:
odpowiednią sztywność (aby przy mocniejszych podmuchach nie
doszło do zderzenia łopat z wieżą),
możliwie niską masę,
trwałość (powinien wytrzymać cały cykl życia siłowni a więc minimum
20 lat),
niski poziom generowanego hałasu (decydujące znaczenie ma kształt
końcówki płata, gdyż ona porusza się najszybciej),
odporność na zabrudzenia i oblodzenie (łopaty projektuje się tak, aby
wytrzymały
ewentualny dodatkowy ciężar wynikający z tych czynników lub dodaje
się instalacje przeciwoblodzeniową),
kształt zapewniający odpowiednie własności aerodynamiczne,
odporność na wyładowania atmosferyczne.

Większość nowoczesnych łopat w elektrowniach wiatrowych zrobiona

jest z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem lub żywicą

epoksydową. Jako wzmocnienie używa się też włókien węglowych lub

kevlaru, ale takie rozwiązanie jest bardzo kosztowne, szczególnie przy

większych łopatach. Dostępne są też rozwiązania polegające na

wykorzystaniem drewna wzmocnionego żywicą epoksydową lub

innymi tworzywami sztucznymi, ale jak dotąd nie zdobyły one

większej popularności. W bardzo małych turbinach stosuje się też

łopaty stalowe i aluminiowe. Są one jednak bardzo ciężkie i podatne

na zmęczenie materiału.

Elektrownie wiatrowe ze względu na swoją wysokość stanowią

naturalny cel dla wyładowań atmosferycznych. Szczególnie narażone

na takie zdarzenia są końcówki łopat. Generalnie łopaty są

elementami bardzo delikatnymi i podatnymi na uszkodzenia i gdyby

nie posiadały instalacji odgromowej każde wyładowanie mogłoby

oznaczać ich zniszczenie. Dlatego w każdej większej siłowni wymaga

się jej stosowania.

Łopata duńskiej firmy LM Glasfiber A/S

Instalacja odgromowa instalowana standardowo w łopatach duńskiej

firmy LM Glasfiber A/S (światowy lider w produkcji łopat dla elektrowni

wiatrowych). Na najbardziej narażonej na uderzenia końcówce

montuje się wykonany ze stali nierdzewnej specjalny receptor, który

przejmuje uderzenie pioruna. Prąd odprowadzany jest przez

miedziany przewód do piasty, a następnie do ziemi. Producent

podaje, że instalacja może odprowadzać prądy dochodzące do 200

000 amperów. Ciekawym elementem instalacji jest karta rejestrująca

parametry wyładowania, która posłuży producentowi do celów

badawczych.[14]

Łopaty współczesnych siłowni wiatrowych osiągają rozmiary

kilkudziesięciu metrów. Oznacza to poważne problemy techniczne i

logistyczne przy organizowaniu ich transportu na miejsce montażu

elektrowni. Ze względu na technologię produkcji łopat nie jest

możliwe rozkładanie ich na części i muszą być transportowane w

całości. Zadanie to powierza się wyspecjalizowanym firmom,

dysponującym odpowiednimi, wielokołowymi naczepami.

Transport łopaty na miejsce montażu

siłowni

Siła nośna. Nowoczesne elektrownie wiatrowe wykorzystują

zaawansowane technologie, niektóre znane z przemysłu lotniczego,

ponieważ muszą pracować w bardzo różnym środowisku, przy

zmiennych prędkościach i kierunkach wiatru

.

Siła nośna

 

Powstawanie siły nośnej. Powietrze opływające górną część skrzydła

ma większą drogę do pokonania, a więc porusza się szybciej, dzięki

czemu ciśnienie jest mniejsze niż na dolnej części skrzydła.

Na rysunku powyżej pokazany jest przekrój profilu łopaty. Jego

specyficzny kształt powoduje, że powietrze ślizgające się wzdłuż

górnej powierzchni porusza się szybciej niż wzdłuż powierzchni

dolnej. Oznacza to, że ciśnienie na górnej powierzchni będzie niższe

niż na dolnej. Tworzy to siłę nośną prostopadła do kierunku wiatru.

Jest to ta sama siła, która utrzymuje w powietrzu samolot powoduje,

że wirnik elektrowni wiatrowej obraca się na wietrze.

Pochylenie skrzydła do tyłu spowodować może, że szybkość

strumienia powietrza na górze skrzydła wzrośnie, co spowoduje

wzrost siły nośnej. Jednak po przekroczeniu pewnego kąta natarcia

(umowny kąt zawarty między osią podłużną skrzydła, a kierunkiem

strumienia powietrza), zwanego krytycznym, nastąpi oderwanie strug

powietrza na górnej części skrzydła, co prowadzi do zaniku siły

nośnej. Zjawisko to nosi nazwę przeciągnięcia (stall), czasami używa

się też określenia "utknięcie".

Przepływ powietrza

Zjawisko przeciągnięcia następuje wtedy gdy kąt natarcia staje się
zbyt duży dochodzi do oderwania strug powietrza na grzbiecie płata i
zaniku siły nośnej.
Przeciągnięcie może zostać wywołane, kiedy powierzchnia skrzydła
samolotu, albo łopaty wirnika turbiny wiatrowej, nie jest
wystarczająco równomierna i gładka. Wgłębienie w skrzydle albo
łopacie wirników, albo kawałek samoprzylepnej taśmy może
wystarczyć, by wywołać turbulencję na grzbiecie skrzydła nawet, jeśli
kąt natarcia jest dość mały.

Wypadkowa siła aerodynamiczna ma dwie składowe. Składowa

nośna Pz jest prostopadła do wypadkowego kierunku wiatru,
natomiast składowa oporowa Px tworzy opór równoległy do
wypadkowego kierunku wiatru. Wielkości siły nośnej oraz siły oporu
wynoszą:
Pz = 0,5(Cz S rho v

2

)

Px = 0,5(Cx S rho v

2

)

gdzie S - powierzchnia łopaty, rho - gęstość powietrza, v - prędkość
wiatru. Współczynniki siły nośnej Cz i oporowej Cx zależą od kształtu
profilu i są funkcją kąta natarcia wiatru na łopaty.

Przepływ powietrza przez łopaty

wirnika.

Wypadkowy kierunek powietrza uderzający w łopaty jest inny niż

kierunek wiatru w terenie, za wyjątkiem sytuacji, gdy wirnik jest

nieruchomy. Dzieje się tak, ponieważ łopaty same się poruszają.

Większość turbin pracuje ze stałą prędkością obrotową,. Typowa

szybkość, z jaką końcówki łopaty przecinają powietrze wynosi 64 m/s,

podczas gdy prędkość w środku piasty wynosi zero.

W jednej czwartej długości łopaty, prędkość ta będzie wynosić około

16 m/s. Jeżeli łopatę wirnika przyjmiemy za nasz punkt odniesienia, to

idąc wzdłuż niej od środka aż do końcówki, zaobserwujemy, że wiatr

będzie opływał płat pod coraz większym kątem.

Dlatego łopata wirnika musi być skręcona, aby utrzymać optymalne

kąty natarcia na całej jej długości

Zmiany kierunku strumienia powietrza w

łopatach wirnika

Generator

Generator w elektrowni wiatrowej ma za zadanie zamienić energię

mechaniczną w elektryczną. Jego konstrukcja nieco odbiega od typowych

prądnic. Jednym z powodów jest to, że źródło mocy (wirnik turbiny

wiatrowej) dostarcza zmieniający się, w zależności od warunków

wiatrowych, moment napędowy. Elektrownie wiatrowe wykorzystują moc

wiatru w zakresie jego prędkości od 4 do 25 m/s. Przy prędkości wiatru

mniejszej od 4 m/s moc wiatru jest niewielka, a przy prędkościach

powyżej 25 m/s ze względów bezpieczeństwa elektrownia jest

zatrzymywana. Generatory do elektrowni wiatrowych powinny spełniać

następujące wymagania i zalecenia:

konstrukcja generatora powinna zapewnić długotrwała pracę bez

wymiany i konserwacji

podzespołów,dla efektywniejszego wykorzystania energii wiatru

korzystniejszy jest wariant generatora

pracującego ze zmienną prędkością wirowania, współczynnik mocy

powinien być bliski jedności (należy unikać pobierania mocy biernej

przez generator),należy zmniejszyć do minimum udział wyższych

harmonicznych prądu dostarczanego do sieci,należy utrzymywać

parametry sieci

W dużych elektrowniach (o mocy większej niż 100-150 kW), stosuje

się trójfazowe prądnice prądu przemiennego, zwykle o napięciu 690

V. Energia jest przesyłana do transformatora obok turbiny (lub w

wieży), który podnosi napięcie do wartości wymaganej przez sieć, na

którą pracuje.

Liczący się producenci dostarczają turbiny w dwóch wersjach: z

generatorami 60 Hz przystosowanymi dla sieci w Ameryce i 50 Hz dla

reszty świata. Stosowane w elektrowniach wiatrowych generatory

elektryczne przetwarzają energię mechaniczną silnika wiatrowego w

energię elektryczną, przy stałej lub zmiennej prędkości obrotowej.

Ze stała prędkością wirowania, lub zmienną skokowo pracują

generatory indukcyjne (asynchroniczne), jedno lub dwubiegowe. Nie

są one szeroko używane poza energetyką wiatrową, i małymi

hydroelektrowniami. Jest kilka powodów, dla których stosuje się

prądnice asynchroniczne w energetyce wiatrowej. Maszyna ta jest

bardzo niezawodna, stosunkowo tania i odporna na przeciążenia.

Niezwykle pożyteczne jest też zjawisko poślizgu. Dzięki niemu

prądnica nieznacznie zwiększa lub zmniejsza prędkość, jeśli zmienia

się moment napędowy. Stosowane są również rozwiązania

generatorów indukcyjnych z powiększonym poślizgiem, realizowanym

przez zwiększenie rezystancji wirnika w układzie zewnętrznym lub

wewnętrznym. Pozwala to powiększyć poślizg do ok. 10 procent.

Oznacza to mniejsze zużycie i podatność na awarie skrzyni biegów. I

to jest największą zaletą w stosunku do prądnicy synchronicznej

Firma WEIER Electric w zakresie generatorów dla elektrowni

wiatrowych oferuje generatory indukcyjne ze zmiennym poślizgiem

realizowanym poprzez regulację

  prądów wirnika, tzw. system RCC (Rotor Current Control) bez

układu pierścieni. Polega on na zabudowaniu wewnątrz wirnika

tranzystorów mocy IGBT oraz rezystorów Regulacja i

sterowaniesystemem RCC odbywa się za pomocą programowalnego

sterownika z 16 bitowym procesorem. System RCC, oprócz zadań

regulacyjnych, nadzoruje wszystkie parametry ruchowe i

diagnostyczne. Komunikacja do i od wirującego wirnika z systemem

RCC odbywa się poprzez seryjny interfejs z wirującym optycznym

sprzęgłem. Do komunikacji generatorów z nadrzędnym sterownikiem

zarządzającym całą elektrownią służy odpowiedni protokół. Wadą

generatorów asynchronicznych jest konieczność zasilenia uzwojenia

stojana (namagnesowania) przed rozpoczęciem pracy. Jest ona

istotna w przypadku, gdy elektrownia ma produkować energię na sieć

wydzieloną. Potrzebne wtedy będzie urządzenie, które dostarczy prąd
magnesujący przed rozpoczęciem pracy (kondensatory, akumulator).

Jak wynika z charakterystyki powyżej, zastosowanie stałej prędkości

obrotowej uniemożliwia optymalne wykorzystanie energii wiatru.

Częściowo problem ten rozwiązuje się stosując generatory

dwubiegowe. Przy słabym wietrze mogą one pracować z mniejszą

prędkością obrotową. Można spotkać także rozwiązanie w postaci

dwóch osobnych prądnic w jednej gondoli dla różnych prędkości

wiatru.

Zastosowanie zmiennej prędkości obrotowej w elektrowniach

wiatrowych umożliwia optymalne wykorzystanie energii wiatru i daje

większy uzysk energii. Wymagane jest jednak sterownie kątem

natarcia łopat. Do przetwarzania energii w tych elektrowniach

najczęściej stosowane są generatory indukcyjne pierścieniowe z tzw.

podwójnym zasilaniem. Stojan jest przyłączony bezpośrednio do sieci

elektroenergetycznej, natomiast wirnik jest dołączony do tej samej

sieci poprzez przekształtnik energoelektroniczny - jest to tzw. kaskada

nadsynchroniczna.

Innym rozwiązaniem stosowanym w elektrowniach wiatrowych są

generatory synchroniczne wolnoobrotowe bez przekładni bądź

generatory synchroniczne wysokoobrotowe z przekładnią

mechaniczną. Obydwa rozwiązania ze względu na zmienną

częstotliwość napięcia wymagają stosowania przekształtników

energoelektronicznych w obwodzie stojana oraz układu regulacji

wzbudzenia w obwodzie wirnika. W najnowszych rozwiązaniach

generatorów synchronicznych preferuje się stosowanie wzbudzenia

od magnesów trwałych - eliminuje to układ do regulacji prądu

wzbudzenia oraz pierścienie ślizgowe wraz z układem szczotek.

Generatory podczas pracy wymagają chłodzenia. W większości turbin
używa się do tego powietrza, tłoczonego przez wentylator, ale można

także spotkać chłodzenie wodą. Zaletą takiego rozwiązania jest

bardziej zwarta budowa prądnicy, ale wymaga ono umieszczenia

radiatora w gondoli, celem pozbycia się nadmiaru ciepła z układu

chłodzenia.

Wieża

Wieże dla większych turbin są wykonane w postaci stalowej rury,

kratownicy, lub żelbetonowej rury. Rozwiązanie w postaci masztu,

utrzymywanego w poziomie za pomocą lin, jest stosowane tylko w

małych turbinach (służących na przykład do ładowania baterii

akumulatorów).

Stalowa rura. Większość dużych elektrowni wiatrowych jest wykonana

ze stalowymi wieżami, o przekroju 20-30 metrów kwadratowych,

które są dostarczane w częściach na miejsce budowy. Wieże mają

stożkowy kształt, ze średnicą rosnącą ku podstawie. Taki kształt

zapewnia dużą wytrzymałość oraz oszczędność materiału. W fabryce

wykonuje się poszczególne segmenty, które są składane w całość na

miejscu montażu siłowni. Wieża o wysokości 50 m. waży ok. 40 ton.

Widok stalowej wieży

Konstrukcja wieży w postaci masztu

podtrzymywanego stalowymi linami

Regulacja mocy poprzez ustawienia kąta

łopat (pitch controlled).

Przykład elektrowni wiatrowej o poziomej
osi obrotu malej mocy do zastosowań

przydomowych