tur_wiatrowe.pdf

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 dźwięków (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 dźwięków (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.

przydomowe.

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

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/m 2 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 C p . 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.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: