budowa turbiny wiatrowej

Budowa turbiny wiatrowej – jak wygląda w praktyce?

Interesuje Cię budowa turbiny wiatrowej? Zobacz koncepcję budowli, która okazała się przełomowa dla branży odnawialnych źródeł energii. Turbiny nazywane potocznie wiatrakami są proste tylko z pozoru. Okazuje się bowiem, że stanowią one wyrafinowane maszyny, zdolne do zamiany energii wiatrowej w elektryczną.

W odpowiedzi na żądania ekologów i ratowanie gospodarki, wiele krajów zdecydowało się na budowę farm wiatrowych. Zielona energia to przyszłość, więc warto pochylić się nad nią na moment. Zobacz jak produkuje się prąd z wiatru.

Koncepcja turbiny wiatrowej

Jedną z istotnych technologii XX wieku jest technologia turbin wiatrowych, która oferuje ekonomiczne rozwiązania w zakresie wytwarzania energii elektrycznej w celu wyeliminowania zależności świata od źródeł paliwowych, takich jak ropa naftowa i gaz.

W związku z tym technologia turbin wiatrowych jest wytwarzana w oparciu o energię elektryczną bez efektu cieplarnianego i gazów powodujących śmiertelne zanieczyszczenia. Technologia turbin wiatrowych oferuje energię elektryczną przy niższych kosztach instalacji i konserwacji, w porównaniu do innych źródeł energii.

W tym rozwiązaniu turbina wiatrowa jest maszyną, która przetwarza energię wiatru na energię elektryczną i nie należy jej mylić z innym typem maszyny – wiatrakiem, który przetwarza energię wiatru na energię mechaniczną.

Budowa turbiny wiatrowej obecnie

Nowoczesne turbiny wiatrowe można podzielić na dwie konfiguracje w zależności od osi obrotu łopat wirnika: turbiny wiatrowe z osią poziomą (HAWT) oraz turbiny wiatrowe z osią pionową (VAWT)

W ostatnich latach większość komercyjnych turbin wiatrowych stanowią turbiny wiatrowe z osią poziomą (HAWT), których oś obrotu jest pozioma do gruntu i prawie równoległa do przepływu wiatru. Turbiny tego typu mają pewne zauważalne zalety, takie jak niska prędkość wiatru i łatwe rolowanie. Ogólnie rzecz biorąc, moc wyjściowa HWAT jest wyższa od osi pionowej turbiny wiatrowe dzięki lepszemu współczynnikowi mocy w HWAT.

Jednak generatory i przekładnie tych turbin mają być umieszczone nad wieżą, co sprawia, że ich konstrukcja jest bardziej skomplikowana i kosztowna.

Turbiny HAWT

Turbiny wiatrowe o poziomej osi można sklasyfikować jako jednołopatkowe, dwułopatkowe, trzyłopatkowe i wielołopatkowe. Pojedyncze łopaty HAWT nie są obecnie szeroko stosowane, mimo że wydają się oszczędzać koszty związane z oszczędnościom materiałowym. Aby zrównoważyć ciężar pojedynczych łopat, wymagają one przeciwwagi po przeciwnej stronie piasty. Dodatkowo potrzebują one większej prędkości wiatru, aby wytworzyć taką samą moc, jaką uzyskuje się dzięki trzem łopatom HAWT.

Dwu łopatowe turbiny wiatrowe mają prawie tę samą wadę co turbiny z pojedynczą łopatą i produkują nieco mniej energii niż turbiny z trzema łopatami. Turbiny wielołopatkowe są najczęściej wykorzystywane jako “wiatraki pompujące wodę” i nie są wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej. Dlatego też większość obecnych komercyjnych turbin wiatrowych posiada trzy łopaty.

Klasyfikacja turbin wiatrowych

Turbiny wiatrowe z osią poziomą, bazujące na orientacji wirnika, można również podzielić na turbiny wiatrowe z wirnikiem „do wiatru” i „z wiatrem”, czyli ciągnącym i pchającym. Kiedy wiatr uderza w wirnik przed wieżą i sprawia, że obraca się, wtedy nazywa się to turbiną wiatrową z wiatrem. Zaletą konstrukcji (ciągnącej) czyli do wiatru jest to, że łopaty mogą pracować w niepodzielonym przepływie powietrza, a siły wiatru obracają wirnik w kierunku krawędzi natarcia łopaty. Dlatego też potrzebują one dodatkowego aktywnego mechanizmu, mechanizmu „jołowania – rotowania łopaty” YAW, aby utrzymać wirnik (łopaty) przed wiatrem. Z drugiej strony, w turbinach wiatrowych „z wiatrem”, wiatr uderza najpierw w wieżę, a następnie w wirnik. W związku z tym wiatr sam sobie może utrzymać wirnik w sytuacji z wiatrem bez żadnego dodatkowego mechanizmu.

Przez cały czas kierunek wiatru nie jest stabilny i szybko się zmienia, dlatego turbina wiatrowa do wiatru odchyla się szybciej niż z wiatrem ze względu na aktywny mechanizm odchylenia.

Farmy wiatrowe

Liczne projekty farm wiatrowych buduje się na całym świecie w technologii turbin wiatrowych zarówno na morzu, jak i na lądzie.

Lądowe turbiny wiatrowe instaluje się na terenach górskich w celu osiągnięcia wyższych prędkości wiatru. Jednak lądowe turbiny wiatrowe nie są budowane tak szybko jak morskie ze względu na pewne ograniczenia, takie jak odgłosy pochodzące z łopat i ograniczona dostępność gruntów.

Turbiny wiatrowe na morzu dają nam większą moc i pracują więcej godzin w każdym roku w porównaniu z tymi samymi turbinami zainstalowanymi na lądzie ze względu na wyższe i bardziej stałe prędkości wiatru na obszarach otwartych.

Kolejną zaletą korzystania z turbin wiatrowych na morzu stanowi mniejsza turbulencja wiatrowa o wyższych średnich prędkościach wiatru. Inny plus to mniejsze odgłosy akustyczne emitowane przez turbinę. Z drugiej strony, lądowe systemy wiatrowe mają pewne inne zalety, które sprawiają, że są one również istotne, takie jak: tańsza konstrukcja nośna, tańsza instalacja i dostęp w okresie budowy, tańsza integracja z siecią elektroenergetyczną oraz tańszy i łatwiejszy dostęp do eksploatacji i konserwacji.

ZOBACZ OFERTY SZKOLEŃ

Elementy turbin wiatrowych

Obecnie większość komercyjnych turbin wiatrowych to turbiny wiatrowe o poziomej osi z typowymi trzema łopatami. Główne podsystemy poziomej turbiny wiatrowej, można rozdzielić na wirnik składający się z łopat i piasty; Gondolę, która obejmuje przekładnię, układ napędowy, części sterujące i system „jołowania – YAW”. Poza tym występuje w niej wieża i fundament, który zależy od typu turbiny, na lądzie lub na morzu. Równowagę systemu elektrycznego, który obejmuje kable, rozdzielnice, transformatory, falowniki i ewentualnie elektroniczne przetwornice mocy.

Rotor

Najważniejszą częścią turbiny wiatrowej jest wirnik, który składa się z piasty i łopat. Wirnik odbiera energię kinetyczną z przepływu wiatru i przekształca ją w mechaniczną za pomocą moc wału.

Aerodynamika łopat wirnika

Aerodynamika zajmuje się wpływem sił gazowych na ciała, gdy powietrze lub inne gazy przez nie przechodzą. Podczas opracowywania turbin wiatrowych przeprowadzono kilka badań i zapytań w zakresie aerodynamiki w celu znalezienia udanego modelu.

Profile powietrzne

Przekrój poprzeczny łopaty turbiny wiatrowej jest profilem powietrznym, który służy do generowania sił mechanicznych spowodowanych ruchem cieczy wokół profilu powietrznego. Szerokość i długość łopaty zależą od pożądanej wydajności aerodynamicznej i maksymalnej wymaganej mocy wirnika.

Parametry profili powietrznych – budowa turbiny wiatrowej

Główne cechy profilu powietrznego pokazano na rysunku. Wzdłuż łopat stosuje się różne rodzaje profili powietrznych w celu wychwytywania energii z wiatru. Przy projektowaniu łopat dostępnych jest wiele rodzajów profili powietrznych, klasyfikowanych według numerów określonych przez NACA (Krajowy Komitet Doradczy ds. Lotnictwa).

Siły na profilu powietrznym

Gdy profil powietrzny znajduje się w strumieniu wiatru, powietrze przechodzi zarówno przez górną, jak i dolną powierzchnię łopaty. Ma ona typowy zaokrąglony kształt. Taki kształt sprawia, że powietrze pokonuje większą odległość na jednostkę czasu w górnej części łopatki niż z niższej strony. Innymi słowy, cząsteczki powietrza poruszają się szybciej w górnej części profilu powietrznego.

Budowa turbiny wiatrowej a fizyka

Zgodnie z twierdzeniem Bernoullego, ważna jest różnorodność prędkości w górnej i dolnej części łopaty. Daje ona różny nacisk na górną i dolną powierzchnię profilu powietrznego. W związku z tym, te różnice ciśnień w profilu powietrznym powodują powstanie siły R. Jest ona podzielona na dwa główne składniki w kierunkach x i y w następujący sposób:

Siła nośna – określa się ją jako siłę pionową w stosunku do kierunku nadchodzącego przepływu powietrza. Nośność jest wynikiem nierównomiernego nacisku na górną i dolną powierzchnię profilu powietrznego. Siła podnoszenia określa się przez:

RL = CL 1 qAV2 = współczynnik siły nośnej × siła dynamiczna

Siła oporu – definiuje się ją jako siła równoległa do kierunku nadchodzącego przepływu powietrza. Mają na nią wpływ zarówno siły tarcia na powierzchni profilu powietrznego, jak i nierównomiernym naciskiem na powierzchnie profilu powietrznego. Siła oporu (FD) równa się:

RD = CD 1 qAV2 = Współczynnik siły oporu × siła dynamiczna

gdzie q to gęstość powietrza. V to prędkość niezakłóconego przepływu powietrza. A to rzutowany obszar profilu powietrznego (pas × rozpiętość). CL, CD to współczynniki nośności i oporu, które można znaleźć w eksperymentach w tunelu aerodynamicznym. W tunelu aerodynamicznym siły nośne i siły oporu stałego profilu powietrznego są mierzy się za pomocą przetworników. Umieszcza się je w płaszczyźnie pionowej i poziomej.

Siły nośne i oporu na profilu powietrznym zależą od kąta natarcia – α. Jest on kątem pomiędzy niezakłóconym kierunkiem wiatru a cięciwą profilu. Siła nośna wzrasta wraz z α i osiąga maksymalną wartość przy pewnym kącie natarcia. Po tym konkretnym punkcie współczynnik nośności szybko maleje wraz z dalszym wzrostem wartości α. Dzieje się tak w wyniku wejścia w przepływ powietrza w rejonie turbulentnym, który oddziela warstwy graniczne od profilu powietrznego. Dlatego też siła oporu szybko wzrasta i siła nośna spada w tym rejonie.