Rozwiązania turbin wiatrowych
Gdyby porównać rozwój technologii w dziedzinie energetyki wiatrowej jaki się dokonał
w ciągu ostatnich 10 lat do jakiejkolwiek innej gałęzi przemysłu, to można z całą pewnością
stwierdzić, iż niewiele jest takich sektorów gospodarki, które pochwalić się mogą równie
dynamicznym i efektywnym wzrostem. Podstawowym a w zasadzie jedynym efektem pracy
turbiny wiatrowej jest produkcja energii elektrycznej. Ta zależna jest w znacznej mierze od
efektywności użytych podzespołów i parametrów urządzenia. Wśród parametrów
najważniejsze są z kolei moc generatora, średnica wirnika i efektywność systemów
sterujących. Stąd rozwój energetyki wiatrowej to pogoń za coraz mocniejszymi generatorami
i większą średnicą skrzydeł. Zapewne kontynuowane będą prace nad urządzeniami o coraz
większej mocy i parametrach. Alternatywna droga rozwoju prowadzi do modernizacji
dotychczasowych konstrukcji i poprawy efektywności istniejących urządzeń o mocy od 850
kW do 2,5 MW. Istnieją przynajmniej dwie dziedziny gdzie taka poprawa może odbyć się
dosyć tanim kosztem i w rozsądnym czasie. Przede wszystkim piętą achillesową wszystkich
urządzeń jest relatywnie niska sprawność przemiany energii mechanicznej w energię
elektryczną przy średnich warunkach wietrzności. Najlepsze na rynku urządzenia osiągają
swoją moc nominalną przy prędkości znacznie przekraczającej to procentowy czas w jakim
turbina, o ile oczywiście podłączona jest do sieci energetycznej, pracuje i produkuje czego
możemy się spodziewać w większości lokalizacji na lądzie a nawet morzu. Kolejną kwestią
do rozwiązania pozostaje w dalszym ciągu problem "gotowości do pracy" turbiny. Określa
on lub jest gotowa do produkcji prądu
1.Turbiny o osi pionowej.
Oprócz tradycyjnych rozwiązań elektrowni z wirnikiem o poziomej osi obrotu istnieją
rozwiązania z wirnikami o pionowej osi obrotu (tak zwane vertical axis).
Fot.1.
Turbina pokazana na fot.1 pracuje na podobnej zasadzie jak młyn wodny. Rozwiązanie
zostało nazwane (od nazwiska francuskiego inżyniera ) wirnikiem Darrieus a, który to
opatentował projekt w 1931 roku. Wirniki wykonywane są jako dwu lub trzy łopatkowe. Do
zalet tego typu rozwiązań zaliczymy możliwość usytuowania przekładni i generatora
bezpośrednio na ziemi, oraz to, że nie jest potrzebny mechanizm ustawiania wirnika
względem kierunku wiatru. Niestety rozwiązanie to posiada wady które spowodowały, że
przewagę mają turbiny o poziomej osi obrotu. Prędkość wiatru przy ziemi jest mniejsza i
ogólna sprawność tego typu elektrowni nie jest zadowalająca. Dodatkowo wirnik taki nie
posiada momentu rozruchowego i konieczny jest układ rozruchowy.
Inną odmianą wirnika Darrieus a jest wirnik o kształcie litery  H . Możliwe są
rozwiązania z nastawnymi łopatami. Rozwiązanie to pokazano jest na fot.2.
Fot.2.
Wirniki tego typu nie wytwarzają niemal żadnych dz
więków (w porównaniu z
tradycyjnymi elektrowniami gdzie końcówki łopat poruszają się z dużymi prędkościami).
Elektrownie o pionowej osi obrotu nie znalazły większego zastosowania w komercyjnych
elektrowniach wiatrowych i pracują tylko pojedyncze modele.
Najprostszym technologicznie rozwiązaniem idei VAT jest wirnik Savoniusa (wiele
konstrukcji amatorskich ze stalowych beczek lub blachy). W celu zmniejszenia różnic w
momencie startowym w zależności od położenia wirnika względem kierunku wiatru, montuje
się zespoły obrócone względem siebie o 90 stopni. Pracuje przy słabych wiatrach i jest
praktycznie bezgłośny.
Turbina świderkowa
Na rysunku przedstawiona jest konstrukcja
małego wiatraka stosowana w mini
elektrowniach SG-xx, modyfikacja turbiny typu
 Savoniusa . Atutem akcentowanym przez
producenta jest zdolność do przetrwania silnych
wiatrów, oraz wykorzystanie siły wiatru nawet
od 1,5 m/s. Dodatkowo turbiny tego typu nie
generują prawie żadnych dz
więków (w
odróżnieniu od np. .tradycyjnych wiatraków -
gdzie końcówki łopat poruszają się z szybkością
250 km/h [dane dla wirnika 22m przy 60
obr./min.])
Tak zmodyfikowana turbina przy prędkości
wiatru 1,5  4 m/s ma większą o ok. 40% moc od
klasycznego wiatraka o tej samej powierzchni
zatoczenia łopat, co ma istotne znaczenie w
przypadku warunków meteorologicznych
panujących w Polsce, gdzie średnia prędkość
wiatru wynosi 3,7 m/s w miesiącach letnich i 4,9
m/s zimą.
2. Turbiny o osi poziomej
Elektrownie wiatrowe przeznaczone są do przetwarzania energii wiatru na energię
elektryczną. Są to wolno, średnio i szybkoobrotowe elektrownie o osi poziomej z wielo
(najczęściej trój) łopatowym wirnikiem, pracujące z generatorem asynchronicznym.
Wirnik wraz z generatorem wyniesiony jest na wysokość kilkudziesięciu metrów.
Konstrukcją wznoszącą turbinę na taką wysokość jest wieża najczęściej stalowa o kształcie
walcowym. Projekty elektrowni uwzględniają najnowsze tendencje w dziedzinie energetyki
wiatrowej. Trój łopatowy wirnik z nastawianymi automatycznie łopatami o odpowiednio
dobranym profilu napędza poprzez przekładnię zębatą generator asynchroniczny lub
synchroniczny.
Nadzór nad pracą elektrowni powierzono mikrokomputerowi.
Elektrownie wiatrowe wymagają stosunkowo dużej powierzchni, ze
względu na wielkość konstrukcji i dlatego lokowane są z dala od
większych miejscowości. Elektrownia o mocy 1MW potrzebuje ok. 1 ha
powierzchni ziemi. Większość wiatraków produkuje prąd już przy
prędkości wiatru od 10 km/h do 18 km/h a optymalna praca występuje przy
prędkości od 54 km/h do 72 km/h. Oprócz dużych wiatraków składających
się na profesjonalne elektrownie wiatrowe istnieje całe mnóstwo rozwiązań
konstrukcyjnych nadających się do wykorzystania jako generatory
przydomowe.
Energia produkowana przez takie małe elektrownie może być magazynowana w
akumulatorach lub zbiornikach ciepłej wody, ale znacznie korzystniej jest przyłączyć takie
elektrownie do lokalnej sieci energetycznej. Obowiązujące obecnie w Polsce prawo nakazuje
operatorowi sieci przyjąć tę energie do jego sieci.
Turbiny o osi poziomej wyposażone w dyfuzor
Zgodnie z prawem Bernouliego dotyczącym zachowania się ośrodka (np. gazu) w rurze w
której występują zmiany średnicy, zmienia się również prędkość przepływu gazu.
W związku z tym jeśli tradycyjny wirnik zabudujemy w tunelu (a dokładnie w jego
przewężeniu) będzie on wirował w powietrzu przepływającym szybciej niż wiatr poza tym
tunelem. Dzięki temu da więcej energii niż wirnik bez otunelowania.
Fot.3.i 4.
Komercyjne rozwiązanie o nazwie Maxi Vortec ma 54 m średnicy wirnika i daje 3,5 MW
energii. Daje to około 1,5kW/m2 co jest bardzo wysokim współczynnikiem. Prędkość
obrotowa wirnika wynosi 27 obr./min.
Fot.5.
.3. Elektrownie wiatrowe wykorzystujące efekt Magnusa
Główną cechą tego typu elektrowni jest zastosowanie zamiast obrotowych łopatek,
obracających się wirników. Obracające się wirniki na podstawie efektu Magnusa wytwarzają
siłę nośną. Zjawisko to polega na powstaniu siły bocznej na obracającym się walcu lub bryle
kulistej, zanurzonych w strumieniu gazu lub cieczy, gdy ma miejsce względne
przemieszczenie obracającego się ciała w stosunku do strumienia. Przedstawione to jest na
rysunku 1. Zjawisko to nosi nazwę od nazwiska niemieckiego fizyka i chemika H.G.
Magnusa, który zwrócił uwagę na to, że powoduje ono "zakrzywienie "toru wybitej piłeczki
tenisowej lub golfowej oraz zmienia tor obracającego się pocisku artyleryjskiego i jako
pierwszy zbadał to zjawisko w 1853 r.
Rys1. Fot.6. Powstawanie siły nośnej.
Wirnik tego typu wykazuje większą sprawność przy małych prędkościach wiatru (zaczyna
prace przy prędkości wiatru 3 [m/s]). Pracuje więc przy większym współczynniku
wykorzystania energii. Wirnik taki obraca się niemal trzy razy wolniej (od 3 do 6,1 [obr/min])
od tradycyjnych wirników a co za tym idzie emituje mniej hałasu. Jest też bardziej odporny
na silne wiatry.
Na fotografii 6 pokazana jest elektrownia wiatrowa o mocy 1,2 MW firmy ENECO. Rolę
łopat pełnią obracające się walce, które napędzane są ze zmienną prędkością obrotową, przez
silniki elektryczne umieszczone wewnątrz piasty. Prędkość obrotowa wirników dostosowana
jest do zastanej prędkości wiatru tak aby elektrownia pracowała przy jak największym
współczynniku wykorzystania energii wiatru Cp. Osiąga się większe wartości tego
współczynnika niż w tradycyjnych łopatkowych rozwiązaniach. Do wad tego typu wirnika
należy powstawanie stosunkowo dużej siły pchającej w stosunku do siły ciągu, niż w
tradycyjnych wirnikach łopatkowych. Koniecznym jest przez to specjalne mocowanie piasty,
żeby sprostać dodatkowym obciążeniom.
W elektrowni tej, ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie przekładni hydraulicznej.
Rys.2 Przekładnia hydrauliczna
Wirnik wiatrowy napędza pompę hydrauliczną o regulowanym wydatku. Ta z kolei,
napędza silnik hydrauliczny, który to dopiero napędza prądnicę. Na rysunku 2 przedstawiony
jest uproszczony układ takiego rozwiązania. W gondoli konieczna jest jeszcze chłodnica
oleju, zbiornik oleju, zawory itp. Powoduje to że rozmiary i ciężar takiego rozwiązania jest
dosyć znaczny. Przekładnia taka ma także mniejszą sprawność niż przekładnia mechaniczna.
Jednak rozwiązanie to pozwala na płynną regulację prędkości obrotów rotora elektrowni w
całym zakresie prędkości wiatru. W elektrowni zastosowany jest generator asynchroniczny,
co sprawia że jego wirnik musi obracać się ze stałą prędkością obrotową. Zapewnia to
przekładnia hydrauliczna. Podsumowując układ taki pozwala na otrzymanie energii
elektrycznej o wysokiej jakości.
Przy prędkościach wiatru powyżej maksymalnych, silniki napędzające wirniki są
zatrzymane i wirnik nie pracuje. Przekładnia może pełnić też rolę hamulca gdy dławione lub
zamknięte są przewody tłoczne pompy.
4. Rzeczywiste turbiny wiatrowe
Fot.7. Turbina wiatrowa firmy Nordex. Moc 2,5
[MW],średnica wirnika 80 [m]. Wysokość wieży
80[m]. Turbina posiada mechanizm znany kąta
ustaw
ienia
łopat
Fot.8.
Budo
wa elektrowni wiatrowej firmy Vestas o mocy 1,5[MW]. Na wieże o wysokości 63 metrów
podnoszona jest za pomocą specjalnego dz
wigu, gondola z generatorem. W tle turbina firmy
Elsam o mocy 2[MW] oraz turbina firmy Nixon 1,5[MW].
Fot.9.
Fot.10
Obecnie największa komercyjna elektrownia wiatrowa pracuje w Magdeburg we wschodniej
części Niemiec. Enercon o mocy 4,5 MW, wysokość wieży 124 m, oraz średnica śmigła
112,8 m, sprawiają że jest to naprawdę potężna konstrukcja. Płaty (każdy waży 20 ton)
musiały być podnoszone pojedynczo przez dwa ogromne dz
wigi, następnie przymocowywane
do piasty. Gondola turbiny E-112 waży 500 ton. Wirnik obraca się z prędkością 8 do 12
[obr/min]. Zastosowano generator synchroniczny wolnoobrotowy. Elektrownia pracuje bez
przekładni głównej. Na fot.9 można zobaczyć ogromne rozmiary wirnika tej elektrowni a na
fot.10 widać charakterystyczny kształt gondoli dla takiego rozwiązania.
Na fotografii 11 przedstawiony jest
wirnik elektrowni wiatrowej, gotowy
do zamocowania na gondoli. Zdjęcie
wykonanu na placu budowy
elektrowni wiatrowej w Barzowicach
koło Darłowa.
Średnica wirnika wynosi 52 metry. Do zamontowania wirników i gondoli używano
dz
wigów o wysięgu 90 m.
5. Charakterystyka konstrukcji nowoczesnych turbin wiatrowych
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. Proces produkcyjny
turbin wiatrowych stał się niezwykle wysoko specjalistyczny, wyodrębniając, jako całkiem
autonomiczna, produkcję łopat, elektronicznych urządzeń kontrolujących, wież, czy też
mechanizmów przekładniowych. 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). Jednakże wielu producentów rozwija technologie dwułopatowych wirników
(USA, Holandia), a nawet ciągle produkuje się turbiny 1-łopatowe (Włochy). Jedynie
najprostsze elementy i etapy realizacji projektu mogą być wykonane przez lokalnych
przedsiębiorców (jak np. fundament, zagospodarowanie placu budowy, podłączenie
energetyczne, itp.). 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. A
opaty są montowane na
wale napędowym, który zazwyczaj połączony jest ze skrzynia biegów i generatorem w
czaszy gondoli obracającej się tak, by jak najkorzystniej ustawić wirnik do kierunku wiatru.
Kształt łopaty wypracowany jest poprzez zaawansowane trójwymiarowe modelowanie z
zadana prędkością wiatru oraz weryfikację podczas testów w wiatrowym tunelu. Przy
każdym z wybranych projektów łopat dokonywany jest pewien kompromis; maksymalna
moc na zadanej prędkości oraz wysoka wydajność na prędkościach różnych od założonej
prędkości preferencyjnej. Dlatego też w każdym przypadku przedsięwzięcia na polu
aeroenergetyki ekstremalnie ważne są dwie rzeczy:
1. właściwe zdiagnozowanie zasobów wiatru na terenie przyszłej inwestycji (pomiar
prędkości wiatru w okresie minimum 1 roku na poziomie osi wirnika lub przynajmniej 30
m),
2. właściwy dobór turbiny wiatrowej, odpowiadającej najczęściej spotykanym w danej
lokalizacji wiatrom.
Powyższe wymogi są często niedoceniane przez inwestorów, a każda różnica w wartościach
średniej prędkości rocznej wiatru, nawet jeśli to jest 0,3 m/s daje olbrzymie dysproporcje w
uzysku energii w skali wielolecia.
Nie jest możliwa zmiana profilu łopaty w danej siłowni, każda łopata może jednak w
niektórych modelach turbin obracać się wokół własnej osi, tak ustawiając kat natarcia wiatru
na swa powierzchnię, by okazał się on najbardziej korzystny w danym przedziale prędkości .
Większość producentów turbin wiatrowych nie zaadaptowała jednak tej technologii, z uwagi
na fakt, iż znikoma jest wartość dodatkowego uzysku energii w porównaniu z kosztami
produkcyjnymi zastosowania tej technologii, stosując profil niezmienny.