TYPY TURBIN WIATROWYCH

Rozwiązania konstrukcyjne elektrowniwiatrowych, wirników, łopat, wież, generatorów

Technik urządzeń i systemów energetyki odnawialnej

TURBINA WIATROWATurbina jest jednym z podstawowych elementów elektrowni wiatrowej. Turbina to silnik przepływowy wykorzystujący energię przez nią przepływającą do wytwarzania energii mechanicznej. Podstawowym elementem każdej turbiny jest łopatka, która jest przymocowana do piasty, tarczy lub bębna. Łopatki są przymocowane na całym obwodzie bębna lub tarczy, tworząc tak zwany wieniec łopatkowy lub palisadę łopatkową. Piasta, bęben bądź tarcza jest osadzona na wale; czasem są one wykonane jako jeden element. Wał razem z piastą /tarczą /bębnem i wieńcem łopatkowym stanowią wirnik turbiny, na którym generowany jest moment obrotowy.Wyróżniamy kilka typów turbin wiatrowych, między innymi turbiny: karuzelowe, bębnowe, śmigłowe i wielołopatowe. Najczęściej (na farmach wiatrowych) można spotkać turbiny śmigłowe trójpłatowe, które mają około 100 metrów wysokości i wirnik ustawiony w kierunku, z którego wieje wiatr. Na przykładzie właśnie takiej turbiny, śmigłowej trójpłatowej, zostanie omówiona budowa wiatraka.

SCHEMAT BUDOWY TYPOWEJ SIŁOWNI

WIATROWEJBudowa turbiny:1. Fundament2. Wyjście do sieci

elektroenergetycznej3. Wieża4. Drabinka wejściowa5. Serwomechanizm

kierunkowania elektrowni6. Gondola7. Generator8. Wiatromierz9. Hamulec postojowy10. Skrzynia przekładniowa11. Łopata wirnika12. Siłownik mechanizmu

przestawiania łopat13. Piasta

WIEŻA

Wieża powinna być przede wszystkim wytrzymała. Dla większych turbin wieże wykonywane są w postaci stalowej rury. Można spotkać się z wieżą - kratownicą lub żelbetonową rurą. Przy małych turbinach stosuje się maszt.

wieża- kratownicawieża- maszt

WIEŻA Przyjmuje się powszechnie, że dla elektrowni o mocy do 2 kW, ze względu na ciężar gondoli, można stosować maszty z odciągami linowymi. Maszt umocowany jest na stalowym, obrotowym sworzeniu, umocowanym na sztywno w ziemi. Odciągi rozpięte pod kątem około 600 usztywniają maszt w pionie. Wadą takiego rozwiązania jest hałas generowany przez wiatr świszczący między linami.

Dla większych mocy ze względu na konieczność stosowania wyższych wież lepszym rozwiązaniem są maszty wolno stojące, w postaci kratownicy lub pełnego słupa. Ze względu na koszty (materiał, transport, montaż, konserwację) dla celów małych elektrowni wiatrowych korzystniej jest stosować wieże kratownicowe. Poza tym, że są lżejsze, mają jeszcze jedną zaletę: z dużej odległości są niewidoczne, z uwagi na ażurowość konstrukcji. Dzięki temu nie zakłócają tak harmonii naturalnego krajobrazu jak konstrukcje słupowe.

WIEŻA

Kratownicę unosi się za pomocą wolnego odciągu, asekurując z drugiej strony liną. Obrót następuje wokół osi sworzeni. Po postawieniu na fundamencie pozostałe stopy mocuje się do podłoża trwale. Kratownicę można też zmontować na miejscu poprzez skręcanie ze sobą kolejnych segmentów konstrukcji. Wadą jest konieczność zmontowania całej kratownicy na miejscu i stosunkowo mniejsza żywotność w stosunku do masztów słupowych. Działające w okresie pracy generatora siły dynamiczne ograniczają trwałość takich konstrukcji do około 20 lat.

WirnikWirnik to najważniejsza część elektrowni wiatrowej. Przechwytuje on energię kinetyczną wiatru i przekazuje ją do generatora. Wirnik jest osadzony na wale, poprzez który napędzany jest generator. Najczęstsza prędkość obrotu wirnika to 15-20 obr./min. Typowy generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości 1500 obr./min. Najczęściej spotykane są wirniki trójpłatowe, które zbudowane są z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem. W piaście wirnika znajduje się serwomechanizm pozwalający na ustawianie kąta nachylenia łopat (skoku).Gondola obraca się o 360 stopni, zawsze ustawia się pod wiatr. Możność obracania się gondoli zapewnia zainstalowany na szczycie wieży silnik. Obrót gondoli odbywa się dzięki przekładni zębatej w silniku.Ponadto w gondoli znajdują się: transformator, łożyska, układy smarowania oraz hamulec zapewniający zatrzymanie wirnika w sytuacjach awaryjnych.

PRZYKŁAD WYKONANIA ELEKTROWNI 2MW PRZEZ FIRMĘ

VESTAS1) 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. 

ŁOPATY WIRNIKA

Łopaty wirnika mają odpowiednią sztywność, by przy mocniejszym wietrze nie doszło do ich zderzenia z wieżą. Materiał, z którego łopaty są zbudowane, powinien być trwały i wytrzymać cały cykl życia siłowni, czyli minimum 20 lat. Pomimo swej trwałości łopaty są lekkie. Od kształtu końcówki płata zależy, jaki poziom hałasu łopaty będą generować. Produkuje się je, aby wytrzymały ewentualny dodatkowy ciężar związany z możliwym oblodzeniem. Są odporne na wyładowania atmosferyczne.Kształt łopat zapewnia im odpowiednie własności aerodynamiczne i ściśle wiąże się z działaniem siły nośnej. Rysunek poniżej przedstawia przekrój skrzydła oraz sposób, w jaki porusza się dookoła powietrze.

GENERATORGenerator ma za zadanie zamienić energię mechaniczną w elektryczną. Jego konstrukcja trochę różni się od typowych prądnic. Jest to spowodowane między innymi tym, 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 STOSOWANE W ELEKTROWNIACH WIATROWYCH

TECHNOLOGIA ASYNCHRONICZNAGeneratory asynchroniczne stosowane w elektrowniach wiatrowych budowane są często jako maszyny o zmiennej (przełączalnej) liczbie par biegunów (zazwyczaj o 2 lub 3 parach biegunów). Znane są również konstrukcje zawierające dwa niezależne generatory w jednej obudowie. W tym przypadku zasada działania jest następująca. Przy słabych wiatrach pracuje mały generator, którego prędkość synchroniczna jest równa 750 obr./min, natomiast kiedy prędkość wiatru wzrasta, włączany jest tzw. duży generator, którego prędkość synchroniczna to 1500 obr./min.

Stosunkowo mała prędkość obrotowa koła wiatrowego (wirnika turbiny wiatrowej), która wynosi nie więcej jak 40 obr./min oraz stosowanie generatorów szybkoobrotowych wymusza zastosowanie przekładni między wirnikiem turbiny a generatorem o przekładni zazwyczaj większej niż 60. Pomimo względnie małej prędkości kątowej koła wiatrowego koniec łopaty wirnika osiąga bardzo duże prędkości liniowe, często większe niż 60 m/s (216 km/h) w stanie pracy ustalonej i jeszcze nieco większe w stanach przejściowych. Energia elektryczna jest wytwarzana w czasie pracy elektrowni wiatrowej przy prędkościach wiatru od 3 m/s do max. 25 m/s. Przy maksymalnej prędkości wiatru, w celach bezpieczeństwa następuje automatyczne zatrzymanie pracy elektrowni poprzez zadziałanie hamulca hydraulicznego. Moc znamionowa elektrowni jest osiągana przy dość dużej, jak na warunki polskie, prędkości wiatru, równej w zależności od konstrukcji wiatraka od 12 do 16 m/s.

GENERATORY STOSOWANE W ELEKTROWNIACH WIATROWYCH

Technologia asynchroniczna

TECHNOLOGIA ASYNCHRONICZNA„ELEKTROWNIA WIATROWA Z PRZEKŁADNIĄ -

NORDEX N80”Cechą generatorów asynchronicznych jest występowanie zjawiska poślizgu, a wadą konieczność zasilenia uzwojenia stojana (namagnesowania) przed rozpoczęciem pracy. Wykorzystywanie generatorów asynchronicznych wymusza stosowanie skrzynek przekładniowych w konstrukcji elektrowni wiatrowej, przez co gondola musi być bardzo rozbudowana. Przykład elektrowni wiatrowej z przekładnią - Nordex N80

TECHNOLOGIA SYNCHRONICZNA

Drugim typem elektrowni wiatrowych są elektrownie bezprzekładniowe wyposażone w generatory synchroniczne, np. firmy VENSYS. Generator synchroniczny nie jest w tym przypadku łączony z systemem elektroenergetycznym bezpośrednio, a przez przekształtnik energoelektroniczny. Brak przekładni i mała prędkość koła wiatrowego (do 40 obr./min) wymuszają stosowanie generatorów synchronicznych specjalnych konstrukcji tj. z bardzo dużą liczbą par biegunów - dochodzącą do kilkudziesięciu.

Opis:1. Łopata wirnika,2. Zamocowanie centralne, 3. System ustawiania łopaty4. Wirnik generatora 5. Stator generatora6. System nakierowania7. System pomiaru wiatru8. Podstawa urządzania9. Wieża10. Dodatkowy wyciąg

Gondola turbiny firmy VENSYS

TURBINY WIATROWE O PIONOWEJ OSI OBROTU

„TURBINY TYPU DARRIEUS’A”Największą pracującą na świecie turbiną typu Darrius’a jest siłownia o mocy 4MW zainstalowana na farmie Cap Chat na terytorium Kanady. Średnica dwupłatowego wirnika w najszerszym miejscu wynosi 64 m. Turbina, której czas eksploatacji to około 30 lat, pracuje przy prędkości wiatru (4,5-22,5) m/s. Przy wyższych prędkościach siłownia jest wyłączana i blokowana. Podstawowa wada wirników o pionowej osi obrotu to praktycznie zerowy moment startowy, dlatego wymagają one wstępnego rozruchu. W celu wyeliminowania tej niedogodności opracowano liczne modyfikacje związane ze zmiennymi kątami nachylenia lub położenia łopat wirników.

TURBINY TYPU DARRIEUS’AJednym z rozwiązań turbiny typu Darrieus’a jest turbina wiatrowa wyposażona dodatkowo w dwa pomocnicze wirniki typu Savoniusa. Inne rozwiązanie to konstrukcja samorozruchowej turbiny Darrius’a, gdzie w części centralnej wirnika umieszczono system łopatek rozruchowych, które umożliwiają start przy prędkości wiatru 3,6 m/s. Przy optymalnej prędkości wiatru równej 10,5 m/s uzyskiwana moc wynosi 400 kW. Obecnie siłownie wiatrowe z wirnikiem Darrieus’a są wyposażone najczęściej w dodatkowe silniki elektryczne, które wymuszają ich początkowy rozruch.

TURBINY TYPU H-DARRIEUS’AInną odmianą wirnika jest rozwiązanie o nazwie H-Darrieus (kształt litery H). Konstrukcja odznacza się dużą sprawnością oraz prostszą konstrukcją w stosunku do rozwiązań tradycyjnych, gdyż łopaty wirnika są proste i umieszczone w osi pionowej. Turbiny tego typu osiągnęły stosunkowo duże wartości mocy jednostkowej, sięgające nawet 300 kW. W turbinie H – Darrieus’a łopaty wirnika znajdują się w maksymalnej dla tego rozwiązania odległości od osi obrotu. W czasie ruchu obrotowego, gdy jedna z łopat pracuje pod wiatr, druga z łopat (znajdująca się po przeciwnej stronie) stanowi dla niej opór, co w konsekwencji powoduje zmniejszenie sprawności takiego rozwiązania.

TURBINY WIELOŁOPATOWE WINDSTAR

Turbiny firmy Wind Harvest to zespoły o większej liczbie łopat, łatwe w montażu, które nie sprawiają trudności w posadowieniu ze względu na stosunkowo nieduże rozmiary oraz prostą konstrukcję. Rotacja w osi pionowej, odpowiednio dobrana długość ostrzy i inne mechanizmy zostały zaprojektowane w taki sposób, że siłownie Windstar są dużo cichsze niż inne turbiny. Windstar 3000 jest turbiną o wysokości 1,5 m i szerokości 2,3 m, mogącą pracować przy prędkościach wiatru w zakresie (4,5-30) m/s. Moc znamionowa wynosi 75 kW. Można ją osiągnąć w krótkim czasie i przy różnych prędkościach wiatru. Zaletą jest instalacja bezpośrednio na powierzchni ziemi, bez konieczności budowania wysokich i drogich konstrukcji nośnych.

TURBINY MIEJSKIE Innym rozwiązaniem wirników typu Darrieus’a są turbiny miejskie. Zastosowanie wirnika w postaci potrójnej helisy o pionowej osi obrotu zdecydowanie obniżyło poziom generowanego hałasu oraz uniezależniło wartość produkcyjnej energii elektrycznej od kierunku i pośrednio od energii wiatru.

WIELOWIRNIKOWA I JEDNOWIRNIKOWA TURBINA

Innym rozwiązaniem siłowni wiatrowych o pionowej osi obrotu jest wirnik skonstruowany przez S. J. Savonius’a. Wirnik ten ma znacznie mniejszą sprawność od typowych generatorów o poziomej osi obrotu, a także od turbiny typu Darrieus’a. Zaletą jest prosta konstrukcja, duży moment rozruchowy oraz praktycznie bezgłośna praca samego wirnika. Do wad można zaliczyć niską sprawność i związaną z tym konieczność powiększenia rozmiarów w celu zwiększenia uzyskanej mocy.

DWUWIRNIKOWA I JEDNOWIRNIKOWA TURBINA

ŚWIDERKOWAZaletą rozwiązania tego typu jest możliwość pracy w bardzo dużym zakresie prędkości: od 1,5 do 60 m/s. Takie siłownie już przy powierzchni łopat wynoszącej 2 m kwadratowe osiągają moc 50 W. Całkowita masa siłowni wiatrowej wynosi 200 kg. Napęd z wirnika przenoszony jest bezpośrednio na prądnicę, bez konieczności stosowania przekładni zębatych. Dzięki temu siłownie są stosunkowo lekkie i niedrogie, co pozwala instalować je na obiektach, budynkach, murach, wieżach (nawet w zestawy składające się z kilku lub kilkunastu jednostek).

TURBINA WIATROWA TYPU SWIFT

Są to instalacje, które nie wymagają kosztownych konstrukcji nośnych, niskoszumowe, nie powodują wibracji mogących uszkodzić budynek, a także stosunkowo niedrogie, łatwe w konserwacji i montażu. Turbina o poziomej osi obrotu składa się z pięciu śmigieł umieszczonych w pierścieniu o średnicy (1,6-2,1) m w zależności od mocy. Do rotora przymocowane są dwie tzw. płetwy ogonowe ukierunkowujące turbinę na najlepsze warunki wiatrowe oraz wyłączające turbinę przy dużych prędkościach wiatru. Części ruchome turbiny wykonane są z włókien węglowych wzmacnianych wewnętrznym rdzeniem kewlarowym. Zastosowanie pięciu śmigieł powoduje, że jest to turbina strukturalnie mocniejsza i bardziej wytrzymała od typu rozwiązania z trzema śmigłami. Zastosowany pierścień spełnia kilka funkcji, np. zmniejsza powstający hałas przez zapobieganie przepływowi powietrza poza końcami śmigieł. Stożkowaty kształt pierścienia zasysa wiatr, zwiększając jego prędkość w obrębie wirnika oraz wzmacnia trwałość i stabilność całej konstrukcji.

ENERGIA WIATROWA W POLSCE

Największe farmy wiatrowe:1. Tymieniec -zachodniopomorskie - elektrownia wiatrowa o mocy 50 MW2. Kisielice - pomorskie - elektrownia wiatrowa o mocy 40,5 MW3. Zagórze - zachodniopomorskie - elektrownia wiatrowa o mocy 30 MW.W Polsce zainstalowano 142 elektrownie wiatrowe o łącznej mocy 216 MW. W trakcje realizacji: elektrownie wiatrowe o mocy 180 MW na Podkarpaciu i Dolnym Śląsku.

LITERATURA1. Boczar T., Energetyka wiatrowa, Wydawnictwo PAK,

Warszawa 2007.2. http://www.windenergy.pl/3. http://www.elektrownia-wiatrowa.pl/