Centrum Kształcenia Ustawniczego im. St. Staszica w Koszalinie
Opracowanie: Jucha Jan
I MUZ
Praca Kontrolna
Przedmiot: Maszynoznawstwo
Nauczyciel: Inż. Witold Abramowski
Temat: Silniki Wiatrowe-zasada
działania, moc, zabezpieczenia
przed bardzo silnym wiatrem,
zastosowanie, farmy wiatrowe w
województwie
zachodniopomorskim, współpraca
z siecią energetyczna.
1.Zasada działania
Skrzydła wiatraka są ustawione pod pewnym kątem zwanym kątem natarcia. Powstała na
skrzydle w wyniku działania wiatru siła aerodynamiczna powoduje ruch skrzydła wiatraka
wokół osi. Powietrze, jakie przepływa przez pole skrzydeł wiatraka z pewną prędkością może
teoretycznie wykonać pracę równą jego energii kinetycznej. Cała energia kinetyczna jednak
nie jest wykorzystywana. Stosunek energii kinetycznej wykorzystanej w wiatraku do pełnej
energii nazywa się współczynnikiem wykorzystania wiatru i wynosi średnio on od 0, 3 do 0,
4, maksymalna jego wartość to 0,6.
Energia w elektrowni wiatrowej jest wytwarzana według następującego sposób :
- podczas obrotu wirnika turbiny wytwarza się moment obrotowy;
- skrzynia przekładniowa zwiększa liczbę obrotów a wał w skrzyni przekładniowej napędza
generator; �- generowana energia elektryczna przepływa przez sterownik i przełączniki
automatyczne;
- napięcie jest podnoszone do wartości pośredniej w transformatorze;
- za pomocą systemu sterowania okablowanie turbiny przekazuje energię elektryczną do
transformatora
- w transformatorze napięcie ulega dostosowaniu do wartości stosowanej w sieciach
energetycznych, na jakie pracuje dana elektrownia.
- Energia kinetyczna wiatru została zamieniona na energię mechaniczną a ta z kolei na
użyteczną energię elektryczną, która może siecią być przesłana do miejsca docelowego
2.Moc
Podstawowe informacje o krzywej mocy, czyli jak zmienia się produkcja energii elektrycznej
w funkcji prędkości wiatru. Moc wyjściowa elektrowni wiatrowej zmienia się wraz ze zmianą
prędkości wiatru. Zależność tą obrazuje właśnie krzywa mocy.
Bardzo istotne jest, aby krzywa była jak najbardziej stroma i osiągała max. przy jak najniższej
prędkości wiatru. Nowoczesne elektrownie po osiągnięciu maksimum ( na rys. ok. 30mph)
utrzymują stały, wysoki poziom produkcji energii.
Ważna jest także:
- prędkość załączenia "cut-in" - prędkość, przy jakiej rozpoczyna się produkcja,
- prędkość wyłączenia "cut-out" - prędkość, przy jakiej elektrownia wyłącza się,
Jak obliczyć moc generowaną przez elektrownie -teoria
Ponieważ powietrze posiada masę i porusza się, posiada energie kinetyczną:
Energia kinetyczna (w Dżulach) = 0.5 x m x V2 gdzie: m = masa (kg), V = prędkość
(metry/sekundę)
Po prostych przekształceniach i uwzględnieniu masy przepływającego powietrza
otrzymujemy:
Moc w polu zakreślanym przez wirnik elektrowni:
P = 0.5 x Rho x A x V3
P = moc w watach (746 W = 1 KM) (1, 000 W = 1kilowat)
Rho = gęstość powietrza (około 1.225 kg/m3 na poziomie morza, mniej im wyżej)
A = powierzchnia zakreślana przez wirnik (m2)
V = prędkość wiatru w metrach/sekundę
Otrzymana wartość określa nam moc strumienia powietrza w polu wirnika. Oczywiście nie
jest możliwe wykorzystanie jej całej (możliwe tylko w przypadku prostopadłej ściany na
drodze wiatru.) Tak, więc musimy dodać jeszcze kilka zmiennych do otrzymania
praktycznego wzoru.
Moc turbiny: P = 0.5 x Rho x A x Cp x V3 x Ng x
Nb
P = moc w watach (746 wat = 1 KM) (1, 000 wat =
1 kW)
Rho = gęstość powietrza ( 1.225 kg/m3 na poziomie morza)
A = powierzchnia zakreślana przez wirnik, prostopadła do wiatru (m2)
Cp = współczynnik efektywności (0.35 dla dobrego projektu)
V = prędkość wiatru w metrach/sec
Ng = efektywność generatora (85% i więcej dla nowoczesnych generatorów)
Nb = efektywność skrzyni biegów/kierunku, im wyższa tym lepsza - 95%
3.Zabezpieczenia Silnika wiatrowego przed bardzo silnym wiatrem
Ten sposób regulacji silników wiatrowych z uwagi na jego zalety jest obecnie stosowany
coraz częściej, głównie w odmianie gdzie łopaty są nastawiane przez silnik sterowany
układem elektronicznym. Jednak istnieją też wersje działające samoczynnie. Działa on dobrze
i pewnie nawet podczas najsilniejszych wiatrów i mogą być stosowane w silnikach
wiatrowych małołopatowych (śmigłowych) wszystkich mocy.
Regulacja ta polega na odpowiednim przekręcaniu płatów śmigła względem ich osi, na
skutek, czego uzyskuje się zmianę kąta natarcia profilu śmigła. Zmiana ta może polegać na
zwiększaniu w miarę wzrostu szybkości wiatru tego kąta natarcia albo też, co jest stosowane
znacznie częściej, na jego zmniejszaniu. W wyniku zmiany kąta natarcia podlega pożądanej
zmianie siła nośna profilu, a zatem i jej składowa obwodowa Fobw, istotna dla pracy silnika.
Nasuwa się tu natychmiast pytanie, czy nie można by wykorzystać do wymienionych celów
śmigła o takim profilu, aby przy stałym jego zamocowaniu uzyskiwać, pomimo zmienności
szybkości wiatru, prawie stałą szybkość obrotową silnika wiatrowego. Znane są, bowiem
profile o charakterystyce raptownie opadającej po przekroczeniu pewnego kąta natarcia, przy
czym ten kąt natarcia w silnikach wiatrowych odnosi się do szybkości względnej przepływu,
Rys. 1. Siły występujące na
łopatce, wektory prędkości
wiatru (v) i łopatki (u), prędkość
wypadkowa wiatru (w).
Na rys. 2 przedstawiono zmiany kąta natarcia profilu a w miarę powiększania się szybkości
wiatru, napływającego do jego czoła, przy zachowaniu stałym jego kierunku oraz szybkości
obrotowej śmigła.
Rys. 2. Zmiany kąta natarcia a przy zwiększeniu się szybkości wiatru
(prędkość łopaty u=const)
Kąty te zwiększają się, jak to widać na rysunku, w miarę zwiększania
się szybkości wiatru.
Metoda ta istotnie prowadzi do celu, ale wobec bardzo szybkiego
wzrostu mocy wiatru wraz z jego szybkością jest ona niewystarczająca
do opanowania większych, a jednak w rzeczywistości występujących
szybkości wiatru. Dlatego to w celu uzyskania całkowitej regulacji
szybkości obrotowej śmigła przy wszystkich szybkościach wiatru
konieczne jest dokonywanie zmian kąta natarcia profilu przez
przekręcanie łopat śmigła względem ich osi.
Zaznaczyć tu należy, że ze względów konstrukcyjnych jest znacznie korzystniej uzyskiwać
regulację silnika wiatrowego przez zmniejszenie kąta natarcia profilu w miarę wzrastania
szybkości wiatru, niż przez jego zwiększanie. W pierwszym przypadku, bowiem śmigło
zwraca się podczas silnego wiatru swą grubością do wiatru, w drugim natomiast swą
szerokością, co powoduje konieczność ujęcia przez konstrukcję silnika znacznie większego
osiowego parcia wiatru.
Regulacja obrotów śmigła przez zwiększanie kąta natarcia jego łopat.
Rys. 4. Zasada działania regulacji systemu Fatiejewa-
Peczkowskiego
Do regulacji obrotów silnika wiatrowego przez
przekręcanie łopat śmigła względem ich osi w kierunku
zwiększania kąta natarcia mogą być wykorzystane
opisane wyżej siły dynamiczne, występujące na
łopatach śmigła. Dla uzyskania poprawnej regulacji
śmigła kąt natarcia jego łopat podczas zwykłej pracy
śmigła powinien odpowiadać najwyższemu punktowi
krzywej biegunowej profilu, aby już po niewielkim
powiększeniu tego kąta uzyskać znaczny spadek
wielkości siły nośnej profilu. W systemie tego rodzaju
regulacji (Fatiejewa - Peczkowskiego) do
odpowiedniego przekręcania łopat śmigła w miarę
wzrastania szybkości wiatru została wykorzystana
naturalna dążność płata śmigła do zajęcia w miarę
zwiększania jego szybkości obrotowej położenia
bardziej równoległego do płaszczyzny obrotu śmigła.
Przeciwdziała temu naciąg odpowiedniej sprężyny
nasuniętej na ramię łopaty śmigła i zaczepionej u jego
piasty; w wyniku tego podczas pracy śmigła w czasie
umiarkowanego wiatru jego łopaty ustawiają się pod
pewnym kątem.
W miarę zwiększania się jednak szybkości wiatru, a zatem szybkości kątowej śmigła,
następuje przekręcenie się pod wpływem wzrastających sił dynamicznych łopat śmigła w
położenie bardziej równoległe do płaszczyzny obrotów. Powoduje to zwiększanie kąta
natarcia profilu śmigła, a zatem zmniejszenie jego siły nośnej i jej składowej obwodowej.
Najmniejszą siłę obwodową w wyniku działania sił dynamicznych uzyskuje się w położeniu
łopat śmigła przedstawionym na rys. 4a linią przerywaną, co jednak dla regulacji śmigła
podczas silniejszych wiatrów jest jeszcze niewystarczające. W celu zmniejszenia szybkości
obrotowej śmigła i podczas tych silniejszych wiatrów do dalszego przekręcania jego łopat
należy użyć siły dynamicznej dodatkowego ciężaru A umieszczonego na ramieniu łopaty
śmigła na pręcie b. Ciężar ten, będąc umieszczonym prawie prostopadle do płata śmigła
zmienia jego moment bezwładności w ten sposób, że łopata śmigła może się przekręcać
również za położenie równoległe do płaszczyzny obrotu śmigła, zwiększając w dalszym ciągu
swój kąt natarcia, a tym samym zmniejszając szybkość obrotową śmigła (rys. 4b).
Ten system regulacji odznacza się dużą prostotą urządzenia, gdyż przekręcania łopat śmigła
dla celów regulacyjnych jest bardzo małe. Główna wada tego systemu regulacji polega na
zwracaniu się łopat śmigła podczas silnych wiatrów ich szerokością do wiatru (przy
mniejszych silnikach wiatrowych nie odgrywa to dużej roli). Natomiast ten system regulacji
(przez przekręcanie łopat śmigła w kierunku zwiększania ich kątów natarcia) wykazuje taką
zaletę, że umożliwia łatwe zwiększanie momentu rozruchowego śmigła przez samoczynne
zmniejszenie kąta natarcia łopat śmigła w stanie spoczynku. Przekręcanie, bowiem łopat
śmigła od najmniejszego kąta natarcia przy rozruchu silnika do kąta największego podczas
huraganu odbywa się w jednym kierunku i może być bardzo prosto przeprowadzone nie tylko
przez siły dynamiczne płatów śmigła.
4.Zastosowanie silnika wiatrowego
Silniki wiatrowe są to urządzenia, które bazują na wykorzystaniu energii kinetycznej
powietrza atmosferycznego będącego w ruchu (wiatru) w inny rodzaj energii, najczęściej
energię mechaniczną a następnie elektryczną.
Specyfiką wiatru, czyli poziomego ruchu powietrza powstającego z różnicy ciśnień jest to, że
wieje on z różnym natężeniem i ze zmiennym kierunkiem. Ogranicza to znacznie stosowanie
silników wiatrowych, bo na jednym terenie wiatr może wiać bardzo często, a na innym
bardzo rzadko. Tereny, gdzie wiatr wieje stale lub często są potencjalnymi lokalizacjami pod
budowę elektrowni wiatrowych. Najprostsze silniki wiatrowe są stosunkowo
nieskomplikowane w konstrukcji i dają tanią energię, dlatego często stosuje się je w
miejscach, gdzie nie ma linii elektrycznej lub występują problemy z uzyskaniem energii
innymi drogami.
5.Farmy wiatrowe w województwie Zachodniopomorskim
Pierwszą przemysłową farmą wiatrową w Polsce była farma wiatrowa Barzowice leżąca w
województwie zachodniopomorskim, która została uruchomiona w kwietniu 2001. Składała
się ona z sześciu siłowni o łącznej mocy 5 MW, co dla Polski uznaje się za wartość minimalną
dla wiatrowych farm o przemysłowej skali.
- Farma Wiatrowa Karścino wybudowana w latach 2007- 2009 na polach pomiędzy
miejscowościami Mołtowo i Karścino. Elektrownia składa się z 60 wiatraków na
powierzchni około 500ha, całkowita moc znamionowa farmy wynosi 90 MW. Właściciel 
firma Iberdrola (Hiszpania).
-Farma Wiatrowa "Zagórze" - zespół 15 elektrowni wiatrowych znajdujących się w
okolicach miejscowości Zagórze nad Zalewem Szczecińskim w województwie
zachodniopomorskim, w powiecie kamieńskiem na południowy wschód od wyspy Wolin.
Farma elektrowni wiatrowych w Zagórzu, o łącznej mocy 30 MW, stanowi własność polskiej
spółki Vattenfall Wolin-North Spółka z o.o., która należy do grupy kapitałowej szwedzkiego
koncernu energetycznego Vattenfall AB.
- Farma Wiatrowa Jarogniew-Mołtowo - położona w gminie Gościno pomiędzy
miejscowościami Mołtowo i Jarogniew. Właściciel  Beta Sp. z o.o., którego udziałowcami są
Polish Energy Partners S.A. ("PEP") oraz Elektrownia Połaniec Spółka Akcyjna  Grupa
Electrabel Polska ("Electrabel").
-Elektrownia Wiatrowa Cisowo  znajdująca się w Cisowie (woj. zachodniopomorskie)
elektrownia wiatrowa uruchomiona na wiosnę 2002 roku.
Dane Techniczne
" Moc elektrowni  18 MW
" Liczba turbin  9
" Wysokość wieży  98 m
" Średnica wirnika  80 m
" Powierzchnia wirnika  5024 m�
" Właściciel  Energia Eco Sp. z o.o.
" Produkcja roczna  41000 MWh
6.Współpraca z siecią elektroenergetyczną.
Zdecydowana większość dużych elektrowni wiatrowych oddaje wytworzoną moc do
publicznych sieci elektroenergetycznych.
Zmiany produkcji energii w elektrowni wiatrowej w ciągu doby.
Wykres powyżej pokazuje przebiegi mocy wyjściowej turbiny wiatrowej (650 MW) w czasie
tygodnia, zainstalowanej na zachodzie Danii. Niebieska krzywa pokazuje przebieg mocy 25
lipca 1997 roku. Na dole wykresu znajdują się przebiegi dla pięciu poprzednich dni. Jak
widzimy, zachowanie wiatru dla większości dni jest takie, że jest on słabszy w nocy, a
silniejszy w dzień. Oznacza to, że zmiany produkcji energii wiatrowej w ciągu dnia pasują do
zmian dobowej konsumpcji energii. W nocy, kiedy zapotrzebowanie na energię spada,
produkcja energii w elektrowniach wiatrowych również spada.
W umiarkowanych strefach klimatycznych w lecie wiatry są generalnie słabsze niż zimą.
Konsumpcja energii w tych rejonach jest także w lecie słabsza niż w zimie. W chłodniejszych
obszarach globu idealne jest połączenie ogrzewania elektrycznego z energią wiatrową. Kiedy
rośnie wiatr, rośnie wychłodzenie mieszkań, ale również rośnie produkcja energii
elektrycznej.
Jak wskazują doświadczenia, elektrownie wiatrowe mają także niekorzystne z punktu
widzenia systemu cechy techniczne. Zależność obciążenia od prędkości wiatru powoduje:
" konieczność zwiększenia rezerw mocy w innych z
ródłach,
" utrudnione prowadzenie ruchu systemu, np. wskutek gwałtownych zrzutów obciążenia
i zmian kierunków przepływu energii w sieciach,
" trudności w planowaniu bilansu mocy i energii.
Występować mogą problemy z regulacją napięcia i mocy biernej, pogarszaniem jakości
energii elektrycznej, opanowaniem mocy zwarcia i stabilnością pracy systemu. Problemy te
łagodzić może odpowiednie wyposażenie elektrowni wiatrowych w nowoczesne jednostki
wytwórcze przystosowane do regulacji parametrów w szerokim zakresie.
Należy zatem postawić pytanie o wpływ pracy elektrowni wiatrowej na jakość energii. Wśród
czynników pogarszających parametry jakości energii w sieci elektroenergetycznej
powodowanych pracą elektrowni wiatrowych można rozpatrzyć cztery rodzaje:
" wahania mocy,
" wahania napięcia,
" migotanie,
" wyższe harmoniczne.
Wahania mocy. Wahanie mocy czynnej występuje w elektrowniach na skutek zmienności
prędkości wiatru. Wahania mocy biernej pobieranej przez prądnice asynchroniczne są
wynikiem zmian generowanej mocy czynnej.
Wahania napięcia. Zmiany napięcia występujące jako następstwo powolnych zmian mocy
generowanej przez prądnice (mogą być kompensowane regulacją zmian zaczepów
transformatorów w GPZ, do których są przyłączone elektrownie wiatrowe). Wahania napięcia
mogą być także spowodowane zmiennością mocy biernej pobieranej przez prądnice
asynchroniczne (kompensacja za pomocą regulatora mocy biernej z odpowiednią baterią
kondensatorów) oraz prądami rozruchowymi.
Migotanie (flicker). Gwałtowne zmiany mocy wyjściowej z turbiny wiatrowej, załączanie
generatora i łączenie baterii kondensatorów powodują zmiany wartości skutecznej napięcia.
Powyżej pewnego poziomu takie zmiany powodują tzw. migotanie oświetlenia elektrycznego.
Wyższe harmoniczne. Zawartość wyższych harmonicznych pochodzących z prądnic siłowni
wiatrowych może powodować zakłócenia w działaniu automatyki i zabezpieczeń w układach
elektroenergetycznych. Drgań harmonicznych należy szukać w przemiennikach
częstotliwości. Jednak nowoczesne układy energoelektroniczne, praktycznie dla każdego typu
współcześnie produkowanych elektrowni wiatrowych dużej mocy (powyżej 1 MW), nie
wnoszą swojego udziału składowych harmonicznych ponad dopuszczalne przepisami.
Energetyka wiatrowa jest zaliczana do tzw. generacji rozproszonej (nie planowanej centralnie,
o ograniczonej centralnej dyspozycji, współpracującej na ogół z siecią dystrybucyjną, o mocy
zainstalowanej na ogół mniejszej niż 500-1000 MW). Wprowadzenie generacji rozproszonej
do istniejących systemów elektroenergetycznych ma znaczący wpływ na planowanie i
eksploatacje systemu w czasie rzeczywistym. Zdolność systemu do integracji tej formy
generacji charakteryzuje się szeregiem czynników nieokreśloności, tak więc wpływ
rozproszenia z
ródeł musi być uwzględniany przy ocenie charakterystyk systemu tak, aby jego
funkcjonowanie i bezpieczeństwo nie zostały zakłócone. Generacja rozproszona zwiększa
stopień komplikacji sterowania, automatyki zabezpieczeniowej i procedur eksploatacji
systemów dystrybucyjnych. Przykładowo selektywność zabezpieczeń musi być
zmodyfikowana, gdyż rozproszone z
ródła mogą zmieniać wartość, czas trwania i rozpływ
prądów zwarciowych. Ponadto przy każdym włączeniu nowego z
ródła konieczne jest
sprawdzenie działania automatyki zabezpieczeniowej i jej dostrojenie w sposób
zapobiegający powstawaniu zakłóceń.