niedziela, 29 marca 2020

Turbina wiatrowa

Początki energetyki wiatrowej

W roku 1878 Charles F. Brush zbudował pierwszą samoczynnie działającą turbinę wiatrową produkującą energię elektryczną. Turbina Brush'a była ogromna jak na owe czasy: wirnik miał średnicę 17 metrów i składał się ze 144 łopat zrobionych z drzewa cedrowego. Ciekawostką jest trwałość tego urządzenia - wykorzystywano je przez 20 lat, ładując akumulatory znajdujące się w posiadłości Ch.F. Bruscha. Moc turbiny nie była imponująca - 12 kW, czego przyczyną był wielołopatowy wolnoobrotowy wirnik. 

Innym pionierem energetyki wiatrowej był duński naukowiec Poul la Cour (1846-1908). Wykorzystywał on energię generowaną przez turbiny do procesu elektrolizy i wytwarzania wodoru. Początkowo wodór wykorzystywał do oświetlenia szkoły Askov School w Askov. La Cour założył Stowarzyszenie Elektrowni Wiatrowych oraz wydawał pierwsze na świecie czasopismo dotyczące energii elektrycznej pozyskiwanej z energii wiatru - The Journal of Wind Electricity.
Był propagatorem małych turbin wiatrowych stawianych przy gospodarstwach na wsi, zapewniających im samowystarczalność w zakresie energii elektrycznej. La Cour zajmował się także badaniem aerodynamiki turbin wiatrowych. Wykazał, że znacznie wydajniejsze dla generatorów elektrycznych są wirniki o kilku łopatach niż turbiny wielołopatkowe.

W Askow znajduje się obecnie muzeum Pola la Cour. Więcej informacji można znaleźć pod adresem http://www.poullacour.dk

Turbina wiatrowa

Nowoczesne turbiny wiatrowe umieszczone są na wysokich wieżach. Wykorzystuje się zazwyczaj systemy z poziomą osią obrotu oraz trzema łopatami. Główne elementy systemu turbiny wiatrowej to: 

  • gondola w której znajduje się cały system turbiny czyli generator, przekładnia, wały napędowe oraz komputerowy system sterowania urządzeniem;
  • wieża na której jest umieszczona turbina;
  • śmigła – najczęściej spotyka się systemy z układem 2 lub 3 łopat;
  • wał niskoobrotowy, połączony ze śmigłami, obracający się z prędkością obrotu piasty wirnika;
  • wał szybkoobrotowy połączony z generatorem;
  • przekładnia, zmieniająca ilość obrotów pomiędzy śmigłami a generatorem.

 

Schemat działania możemy opisać w następujący sposób:

  1. siła nośna wytworzona przez śmigła pod wpływem wiatru obraca wał niskoobrotowy;
  2. wał niskoobrotowy jest połączony z przekładnią, w której następuje zwiększenie ilości obrotów i przeniesienie ich na wał szybkoobrotowy;
  3. wał szybkoobrotowy napędza generator prądu, który wytwarza energię elektryczną;
  4. prąd elektryczny przewodami przesyłany jest do sieci energetycznej.

Współczesne turbiny wiatrowe mają określony zakres prędkości wiatru dla których pracują. Najczęściej jest to przedział od 4 m/s do 25 m/s. Przy prędkościach spoza tego zakresu następuje wyłącznie turbiny poprzez zmianę kąta natarcia łopat śmigła lub obrót wieży o kąt 90 w stosunku do kierunku wiatru. Zależność pomiędzy prędkością wiatru a mocą wytwarzana przez turbinę można przedstawić na wykresie. Jest to tzw. charakterystyka krzywej mocy elektrowni wiatrowej. Przykładowy wykres może wyglądać następująco:

Krzywa mocy dla turbiny Vestas V.80 Offshore 2MW
Źródło:
http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/inzynieria_srodowiska/c_odnaw_zrodla_en/files/krzywa_mocy.htm

Krzywa mocy zależy od rozwiązań konstrukcyjnych turbiny, od rodzaju zastosowanej mechaniki, typu turbiny, rodzaju płatów wirnika czy systemu regulacji. Powiązanie zmienności prędkości wiatru do mocy generowanej przez elektrownię wiatrową określane przez krzywą mocy posiada kilka charakterystycznych punktów:

  1. Punkt startu (cut on) w punkcie tym wiatr ma prędkość powodującą obracanie się łopat wirnika i wystąpienie na wale turbiny momentu mechanicznego. W zależności od rodzaju turbiny w punkcie startu wiatr ma wartość prędkości od około od 3 m/s do 5 m/s.
  2. Punkt wyłączenia (cut off) jest to prędkość, przy której następuje zatrzymanie turbiny ze względu na zagrożenie mechaniczne konstrukcji. Punkt wyłączenia ma wartość z przedziału od 23 do 27 m/s
  3. Punkt prędkości znamionowej jest to prędkość wiatru, przy której turbina osiąga swoją moc znamionową. Zazwyczaj jest to prędkość z zakresu od 11 do 16 m/s.

Przykładowa tabela pokazująca jaką moc osiąga turbina Vestas V.80 Offshore 2MW przy różnej prędkości wiatru. Jak widać minimalna prędkość wiatru to 4 m/s natomiast maksymalna moc generatora jest osiągana przy prędkości 17 m/s i jest niezmienna do punktu wyłączenia czyli 25 m/s.