turbiny wiatrowe

Turbiny wiatrowe – koncepcje ich tworzenia

Odnawialne źródła energii to już teraźniejszość. Jednym z najważniejszych wynalazków XXw. są turbiny wiatrowe, które wiodą prym w zakresie wytwarzania energii elektrycznej. Nie dziwi więc fakt, że stały się punktem uwagi inwestorów. Być może przez turbiny wiatrowe w przyszłości nie będziemy zależni od surowców takich jak ropa naftowa i gaz? Już teraz dają nam one spore oszczędności, przy jednoczesnej ochronie środowiska. Zobacz jak są skonstruowane.

W związku z rozwojem technologii turbin wiatrowych energia wytwarza się w oparciu o zasoby naturalne, nie emitujące gazów szkodliwych dla planety. Technologia turbin wiatrowych oferuje energię elektryczną przy niższych kosztach instalacji i konserwacji niż podczas wykorzystania tradycyjnych źródeł energii.

W tym rozwiązaniu przetwarza się energie wiatru na energię elektryczną. Turbiny wiatrowe często mylnie określa się mianem wiatraka, który przetwarza energię wiatru na energię mechaniczną.

Turbiny wiatrowe w powszechnym zastosowaniu

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 HAWT jest wyższa od osi pionowej turbiny wiatrowe dzięki lepszemu współczynnikowi mocy w HAWT. Trzeba dodać, że technicy montują generatory i przekładnie tych turbin nad wieżą, co czyni konstrukcje bardziej skomplikowaną i kosztowną.

Ile łopat mają turbiny wiatrowe?

Turbiny wiatrowe HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) można sklasyfikować jako jednołopatkowe, dwułopatkowe, trzyłopatkowe i wielołopatkowe. Pojedyncze łopaty HAWT wciąż są niszowe, mimo że przy ich budowie redukuje się koszty związane z zakupem materiału. 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.

Turbiny wiatrowe z dwoma łopatami  mają ten sam mankament, co turbiny jednołopatowe. Również potrzebują przeciwwagi, a ilość wytwarzanego przez nie prądu nie jest optymalna. Z kolei turbiny wielołopatkowe znalazły zastosowanie jako „wiatraki pompujące wodę”, gdzie spełniają zadanie lepiej, niż przy 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 systemem 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, „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 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 na morzu i lądzie

Projektanci budują liczne farmy wiatrowe na całym świecie w technologii turbin wiatrowych zarówno na morzu, jak i na lądzie. Dowiedz się więcej o instalacji turbin wiatrowych. Czytaj także…

Lądowe turbiny wiatrowe są często instalowane 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 jest mniejsza turbulencja wiatrowa o wyższych średnich prędkościach wiatru i 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.

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”; wieżę i fundament, który zależy od typu turbiny, na lądzie lub na morzu i wreszcie równowagę systemu elektrycznego, który obejmuje kable, rozdzielnice, transformatory, falowniki i ewentualnie elektroniczne przetwornice mocy.

Czym jest Rotor?

Najważniejszą częścią turbiny wiatrowej jest rotor, czyli wirnik, który składa się z piasty i łopat. Wirnik odbiera energię kinetyczną z przepływu wiatru i przekształca ją w mechaniczną za pomocą 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, jeśli chodzi o turbiny wiatrowe

Główne cechy profilu powietrznego pokazano na rysunku. Wzdłuż łopat stosuje się różne rodzaje profili powietrznych w celu wychwytywania energii z wiatru. Przy projektowaniu łopat dostępne są rozmaite profile powietrzne, które są klasyfikowane według numerów określonych przez NACA (Krajowy Komitet Doradczy ds. Lotnictwa).

turbiny wiatrowe – siły na profilu powietrznym

Gdy profil powietrzny znajduje się w strumieniu wiatru, powietrze przechodzi zarówno przez górną, jak i dolną powierzchnię łopaty, która ma 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.

Czy znasz twierdzenie Bernoullego? Wg. jego teorii różnorodność prędkości w górnej i dolnej części łopaty daje 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 pionowa w stosunku do kierunku nadchodzącego przepływającego powietrza. Jest wynikiem nierównomiernego nacisku na górną i dolną powierzchnię profilu powietrznego. Określa ją wzór:

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

Siła oporu

definiuje się ją jako siłę równoległa do kierunku nadchodzącego przepływającego powietrza. Siła oporu generuje siły tarcia  na powierzchni profilu powietrznego, jak i nierównomiernym naciskiem na powierzchnie profilu powietrznego. Siłę oporu (FD) określa się wzorem:

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

gdzie q to gęstość powietrza, V to prędkość niezakłóconego przepływu powietrza, a A to rzutowany obszar profilu powietrznego (pas × rozpiętość). Z kolei 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 mierzy się przez niektóre przetworniki. Są one umieszczone w płaszczyznach pionowej i poziomej.

Siły nośne i oporu na profilu powietrznym są zależne od kąta natarcia – kąta 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. W wyniku wejścia w przepływ powietrza w rejonie turbulentnym, warstwy graniczne zostają oddzielone od profilu powietrznego. Dlatego też siła oporu szybko wzrasta i siła nośna spada w tym rejonie.

Branża OZE to ciągle nowy trend rozwoju, który jest w stałej fazie wzrostu. Szczególnie atrakcyjne wydają się miejsca pracy i szkolenia, dające uprawnienia do do podjęcia zatrudnienia na całym świecie, np. jako trener GWO. Z pewnością turbiny wiatrowe to nasza świetlana przyszłość, która może okazać się ratunkiem światowej gospodarki i ekologii. Oszczędne z pożytecznym da sukces odwieczny.