Budowa Elektrowni Wiatrowej

Podstawowym elementem w elektrowni wiatrowej jest wirnik. Na wirniku osadzone są łopatki. W zależności od zapotrzebowania wirniki wykonuje się jako wielopłatowe. Do najpowszechniej stosowanych wirników należą trójpłatowe, rzadziej stosowane sa dwupłatowe. W niektórych regionach - np USA - stosuje się wirniki, gdzie liczba łopatek sięga nawet kilkunastu. W nowoczesnych rozwiązaniach płaty wykonywane są z tworzyw sztucznych np. włókna szklanego wzmacnianego poliestrem. Poszczególne łopatki przymocowane są do kadłuba i w niektórych rozwiązaniach możliwa jest zmiana kąta ich ułożenia. Wirnik umieszczony jest na wale wolnoobrotowym. Za pomocą przekładni następuje przekazywanie energii z wału wolnoobrotowego do wału szybkoobrotowego do którego przyłączony jest generator. Spotyka się też układy, gdzie prądnica jest połączona bezpośrednio do wału wolnoobrotowego. W gondoli oprócz wirnika, wałów i generatora znajdują się jeszcze układy smarowania, chłodzenia i układ hamulcowy. Gondola umieszczona jest na szczycie wieży w ten sposób, że możliwa jest zmiana jej położenia. Gondola wraz z wirnikiem obracane są w kierunku wiatru, za pomocą dodatkowego silnika oraz przekładni zębatej. W elektrowniach małej mocy pozbawionych napędu gondoli stosuje się chorągiewki kierunkowe wraz z mechanizmem.   Jako generator w elektrowniach wiatrowych stosuje się maszynę asynchroniczną pracującą jako prądnica. Otrzymanie optymalnych warunków pracy oraz zapewnienie odpowiednich parametrów energii elektrycznej (częstotliwość, wartość napięcia, stosunek mocy czynnej do biernej) uzyskuje się stosując sterowane układy przekształtnikowe. Innym sposobem budowy elektrowni wiatrowych - o wiele rzadziej spotykanym - jest konstruowanie turbin, gdzie wirnik umieszczony jest w osi pionowej. Układ tego typu charakteryzuje się niewielką sprawnością, ale za to nie wymaga kontroli kierunku wiatru. Zaletą tego rozwiązania jest także niskie umieszczenie generatora lub innego odbiornika energii mechanicznej, co w znacznie stopniu ułatwia wszelkie prace eksploatacyjne.

Elektrownia Wiatrowa

Energia wiatru to energia kinetyczna poruszające się masy powietrza. Ruch te następują w wyniku różnicy ciśnienia atmosferycznego w dwóch punktach i powietrze przemieszcza się z punktu o wyższym ciśnieniu do punktu o niższym ciśnieniu. Różnica ciśnień może następować pod wpływem kilku czynników, jednak najbardziej znaczącym jest wpływ słońca i lokalne nagrzewanie się powietrza. Natężenie strumienia energii wiatru zależna jest od gęstości i prędkości mas powietrza. Jego wartość na skrzydłach wirnika można w przybliżeniu określić zależnością: E = 0,5 · ρ · v ^3 · S gdzie: ρ - gęstość powietrza, [kg/m^3], v - prędkość powietrza [m/s], S - powierzchnia zakreślona skrzydłami wirnika [m^2]. W większości przypadków, szczególnie na terenie Polski, wiatr nie jest równomiernym ruchem powietrza, ale składa się z powtarzających się podmuchów o różnym natężeniu. Na prędkość wiatru ma także wpływ ukształtowanie terenu oraz występujące w terenie przeszkody. W skutek tego energia wiatru blisko powierzchni ziemi jest stosunkowo niewielka. Zmiana prędkości wiatru oraz energii wraz z zmianą wysokości określają zależności: v1 / v2 = (h1 / h2)^α E1 / E2 = (h1 / h2)^3 ·^α gdzie: v1 - prędkość wiatru na wysokości h1, v2 - prędkość wiatru na wysokości h2, E1 - energia wiatru na wysokości h1, E2 - energia wiatru na wysokości h2. Energia kinetyczna mas powietrza zostaje przetworzona w energię mechaniczną za pomocą turbiny wiatrowej wyposażonej w łopatki. Turbina ta napędza generator, w którym wytwarzana jest energia elektryczna. W zależności od sposobu podłączenia i wykorzystania prądnicy, elektrownie wiatrowe można podzielić na: pracujące samotnie, gdzie elektrownia zasila pojedyncze urządzenie lub sieć o niewielkiej mocy, pracujące w sieci energetycznej, gdzie energia dostarczana jest do sytemu elektroenergetycznego. Prądnica pracująca w ten sposób wytwarza energię elektryczną o parametrach "narzuconych" przez sieć sztywną, pracujące jako siłownie lub silniki napędzane siłą wiatru napędzające poszczególne urządzenia technologiczne.

Generator

Zadaniem generatora w elektrowni wiatrowej jest przetworzenie energii mechanicznej wynikającej z ruch obrotowego wirnika na energię elektryczną. Jako prądnice można stosować maszyny prądu stałego, maszyny synchroniczne lub maszyny asynchroniczne. W praktyce do najczęściej spotykanych należą maszyny asynchroniczne pracujące jako prądnica. Generatory mogą pracować w dwóch układach. W pierwszym przypadku maszyna pracująca autonomicznie zasila odbiornik lub grupę odbiorników o stosunkowo niewielkiej mocy. W tego typu układach wykorzystuje się zazwyczaj prądnice prądu stałego lub małe trójfazowe prądnice asynchroniczne. W przypadku, gdy moc wytwarzana w elektrowni jest większa niż chwilowe zapotrzebowanie mocy odbiorników, wykorzystuje się baterie akumulatorów do gromadzenia energii. W elektrowniach pracujących autonomicznie wymagane jest zastosowanie dodatkowych układów do nadania odpowiednich parametrów energii elektrycznej. Prędkość obrotowa wirnika oraz częstotliwość napięcia na zaciskach generatora, zależna jest od prędkości wiatru, natomiast znaczna większość odbiorników budowana jest na określoną wartość i częstotliwość napięcia zasilania. W celu zapewnienia odpowiednich warunków pracy odbiorników energii elektrycznej w układach zasilanych z autonomicznych elektrowni wiatrowych stosuje się specjalne układy przekształtnikowe. Jedną z metod jest włączenie w obwód układów prostownika i falownika. Prąd płynący z prądnicy przekształcany jest w prostowniku na prąd stały lub jednobiegunowy, a następnie w falowniku następuje kolejne przekształcenie na prąd zmienny o żądanych parametrach napięcia. W układach, gdzie odbiorniki pracują przy prądzie stałym stosuje się prostownik z układami regulacji napięcia. Istotnym problemem w elektrowniach wyposażonych w maszyny asynchroniczne jest dostarczenie mocy biernej niezbędnej do poprawnej pracy. W tym celu w obwodzie umieszcza się dodatkową baterię kondensatorów lub odpowiedni układ energoelektroniczny. W przypadku prądnic pracujących w sieci moc bierna pobierana jest z systemu elektroenergetycznego lub z baterii kondensatorów. W układach takich parametry napięcia w elektrowni są takie same jak w sieci. Nowoczesne elektrownie wiatrowe wyposażone są w wiele układów regulacji, które pozwalają między innymi na kontrolę czasu pracy turbiny wiatrowej, otrzymanie optymalnego ustawienia gondoli w zależności od kierunku i siły wiatru, regulacje mocy wytwarzanej w elektrowni np. poprzez zmianę kąta łopat wirnika itd.

Moc i energia elektrowni wiatrowej

Strumień poruszającego się powietrza przekazuje turbinie wiatrowej część ze swojej energii kinetycznej. Nie możliwe jest wykorzystanie całej energii wynikającej z prędkości dolotowej, ponieważ prędkość powietrza musiałaby zmniejszyć się do zera. Wykorzystanie energii wiatru można wyznaczyć za pomocą teoretycznego współczynnika ξ: ξt = 4 · e · (1-e)/(1+e) gdzie: e = v2 / v1 - współczynnik zahamowania strumienia powietrza wyrażony jako stosunek prędkości za i przed turbiną.                     Wartość współczynnika wykorzystania energii wiatru   W rzeczywistych układach występują jeszcze straty związane z tarciem cząstek powietrza o powierzchnie łopatek, wirami i śrubowym ruchem powietrza za turbiną, wyrównywaniem się różnicy ciśnień po obu stronach łopatek na zewnętrznych ich końcach oraz nie wykorzystywaniem całej powierzchni łopatek. Parametrem charakteryzującym turbinę pod względem wszystkich strat aerodynamicznych jest tzw. współczynnik wydajności turbiny ct. Moc teoretyczna turbiny wiatrowej wyrażona w kW określona jest za pomocą zależności: Pth = (v^3 · ρ · ct · Π · D^2 / 8) · 10^-3 gdzie: D - średnica wirnika turbiny [m], ρ - gęstość powietrza w temperaturze +15^oC [kg/m^3], v - prędkość dolotowa wiatru [m/s].           Ruch powietrza przepływającego przez turbinę     Moc elektryczna na zaciskach generatora jest mniejsza od mocy teoretycznej o straty mechaniczne w turbinie i generatorze oraz straty elektryczne w generatorze: PG = P · Pth · ηm · η G gdzie: ηm - sprawność mechaniczna turbiny, ηG - sprawność generatora. Na roczny bilans energetyczny turbiny składa się suma energii wytworzonej w poszczególnych przedziałach prędkości od prędkości minimalnej vo = 4 m/s do prędkości maksymalnej vmax = 25 m/s. Dane te dotyczą typowych turbin wiatrowych, gdzie po przekroczeniu prędkości maksymalnej następuje wyłączenie turbiny.

Turbina

Turbina Podstawowym elementem elektrowni wiatrowych jest turbina. Pod wpływem poruszających się mas powietrza turbina wprawiana jest w ruch obrotowy. Moment startowy turbiny zależy od liczby łopatek. W klasycznych rozwiązaniach liczba łopatek wynosi trzy, chociaż można spotkać elektrownie z jednym lub dwoma płatami. Wirnik elektrowni może być zainstalowany w pozycji poziomej lub pionowej. W przypadku turbin z pionowym wirnikiem moment startowy jest w zasadzie zerowy. W celu zapewnienia rozruch tego typu turbiny stosuje się dodatkowy silnik elektryczny lub wyposaża się elektrownie w dodatkowe wirniki startowe. Jako zaletę należy wymienić możliwość zbudowania takiej konstrukcji wirnika, która będzie pracować w zasadzie bezgłośnie. Rozwiązanie to jest jednak stosunkowo drogie i kłopotliwe w utrzymaniu. Kształt łopat turbiny otrzymywany jest w wyniku zaawansowanych trójwymiarowych symulacji, co pozwala na otrzymanie optymalnych wymiarów w określonych warunkach pracy. Na etapie projektowania łopat dokonywany jest pewien kompromis: maksymalna moc na zadanej prędkości oraz wysoka wydajność na prędkościach różnych od założonej prędkości preferencyjnej. Znaczne zwiększenie wydajności turbiny uzyskuje się poprzez umieszczenie wirnika w tunelu o zmiennym przekroju. Zgodnie z prawami aerodynamiki prędkość przepływającego powietrza zmienia się wraz ze zamianą przekroju tunelu i dlatego też wirnik umieszczony w dyfuzorze będzie wirował szybciej niż w przypadku braku zewnętrznej osłony. Dodatkowe zwiększenie sprawności uzyskuje się wykonując odpowiednią szczelinę w płaszczyźnie tunelu

---