2. Budowa elektrowni wiatrowej

2.1. Układy pracujące z przekładnią.

Współczesna generacja turbin wiatrowych charakteryzuje się przede wszystkim aerodynamicznym kształtem łopat wykonanych z wysoko przetworzonych komponentów oraz najwyższym poziomem rozwiązań technicznych zastosowywanych w konstrukcjach układów mechanicznych siłowni oraz jej wyposażenia kontrolnego. Wybór rozwiązania 3-łopatowego we współczesnej turbinie wiatrowej jest wyrazem kompromisu pomiędzy wyższa wydajnością urządzenia (konstrukcje wielołopatowe), a stabilnością i długim okresem funkcjonowania łopat (1 i 2 łopatowe). Wielu producentów rozwija technologie dwułopatowych wirników (USA, Holandia), a nawet ciągle produkuje się turbiny 1-łopatowe (Włochy).

Najczęściej spotykanym modelem turbiny jest turbina o 3 aerodynamicznych łopatach wykonanych z włókien szklanych lub węglowych o długości 20-30 m, wieża natomiast 40-70 m wysokości wykonana najczęściej ze stali (tubularna lub rzadziej kratowa), ale także czasem jako konstrukcja żelbetowa. Łopaty są montowane na wale wolnoobrotowym, którego obroty poprzez skrzynię przekładniową przekazywane są do wału szybkoobrotowego. Wał szybkoobrotowy połączony jest z wałem generatora. Wirnik najczęściej obraca się z prędkością (15-30) obr/min. Przekładnia zwiększa tą prędkość obrotową 50-krotnie (stopień przełożenia zależy od typu prądnicy zastosowanej w elektrowni. Jako generatory pracują najczęściej prądnice asynchroniczne), czyli do 1500 obr./min.

Wał, który połączony jest ze skrzynia biegów i generatorem, stanowi zwarty zespół napędowy umieszczony czaszy gondoli na poduszkach wibroizolacyjnych. Gondola jest osadzona najczęściej na teflonowym łożysku wieńcowym, umożliwiającym jej obrót wokół wieży przy pomocy elektronicznych serwomechanizmów tak, by jak najkorzystniej ustawić wirnik do kierunku wiatru. [12]

Rys. 2. Budowa elektrowni wiatrowej (model V80-2.0MW firmy Vestas)

1) kontroler 2) siłownik mechanizmu przestawiania łopat 3) główny wał 4) chłodnica oleju 5) skrzynia przekładniowa 6) wieloprocesorowy układ sterowania 7) hamulec postojowy 8) dˇwig dla obsługi 9) transformator 10) piasta łopaty 11) łożysko łopaty 12) łopata 13) układ hamowania wirnika 14) układ hydrauliczny 15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika 16) pierścień układu kierunkowania 17) fundament 18) koła zębate układu kierunkowania 19) generator 20) chłodnica generatora powłok przymocowanych do belki nośnej.

2.2. Układy pracujące bez przekładni.

Odmienną, nowatorską w stosunku do wszystkich dotychczasowych rozwiązań, koncepcję budowy siłowni wiatrowych, w której wirnik sprzęgnięty jest bezpośrednio ze specjalnym pierścieniowym generatorem prądu przemiennego oferuje firma ENERCOM. 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. 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. Opracowany przez ENERCOM 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.

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. [12]

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.

Rys.3. Wygląd turbiny bezprzekładniowej.

Producenci poszczególnych komponentów siłowni wiatrowych, w procesie ich wytwarzania korzystają z najnowszych osiągnięć biotechnologii, i tak np. podglądając aerodynamikę skrzydeł ważki skonstruowano geometrię płatów wirnika:

Rys.4. Odpowiednio od lewej: skrzydło ważki i płat wirnika.

Zauważono, że źdźbła trawy mimo ich wąskich przekrojów mogą być bardzo długie. Wiedzę tę wykorzystano do projektowania wież siłowni wiatrowych

Rys.5. Przekrój źdźbła trawy.

Natomiast kształt gondoli przypomina kroplę wody.

Rys.6. Wygląd gondoli.

W modelu WM 46/900 zastosowano przekładnie obiegową. Konstruktorzy zdecydowali się również na system ze zmienną liczbą obrotów. Takie rozwiązanie powoduje, że cena tego modelu w stosunku do wydajności wypada o 30% korzystniej niż jego poprzednik (WM 43/750).[18]

W niektórych rozwiązaniach istnieje ponadto możliwość zmiany kąta ustawienia łopat wirnika dzięki zastosowaniu siłowników hydraulicznych.

W czasie rozruchu generatory łączone są do sieci przez układy tyrystorowe, które następnie są bocznikowane stycznikami. Mikroprocesorowy system sterowania monitoruje stan siłowni i pobiera dane do obliczeń i sterowania. Generator, transformator, przekładnia i urządzenia sterujące umieszczone są w gondoli. Ponadto gondola zawiera układy smarowania, chłodzenia, hamulec tarczowy itp.

1

6

---