Charakterystyka turbiny wiatrowej ma kluczowy wpływ na efektywność pozywkiwania energii wiatru. Początkowo wiatraki stosowane były do mielenia ziarna oraz napędzania urządzeń mechanicznych. W XVIII wieku w Polsce pracowało ok. 20 tys. młynów wykorzystujących ten rodzaj energii. Na początku XX wieku nastąpił bardzo dynamiczny rozwój przemysłu naftowego oraz górniczego. Przyczyniło się to do zmniejszenia zainteresowania energią wiatru jako surowcem do produkcji energii elektrycznej. Dopiero kryzys  w latach 70. spowodował ponowny wzrost zainteresowania wykorzystaniem wiatru do celów energetycznych. Wieloletnie badania i wysiłki konstruktorów mające na celu dopracowanie generatorów, elementów mechanicznych i automatyki turbin wiatrowych spowodowały ich dynamiczny rozwój w latach 90. XX wieku. Dzięki współdziałaniu różnych gałęzi nauki i techniki wykorzystywanych w produkcji elektrowni wiatrowych na rynek mogły trafić coraz większe, bardziej wydajne oraz mniej awaryjne turbiny wiatrowe. Obecnie przy budowie lądowych farm wiatrowych najczęściej wykorzystuje się siłownie, których generatory osiągają moce rzędu 2–3 MW. Celem niniejszego artykułu jest zaprezentowanie i porównanie charakterystyk turbin wiatrowychi ich mocy 19 turbin  ośmiu wiodących producentów europejskich.

Turbiny wiatrowe wykorzystują energię kinetyczną wiatru i zmieniają ją w energię mechaniczną. W generatorze natomiast następuje jej przemiana w energię elektryczną. Obecnie w turbinach wiatrowych stosuje się dwa rodzaje generatorów: synchroniczne i asynchroniczne. W poniższym zestawieniu zaprezentowano 18 turbin wyposażonych w generatory asynchroniczne oraz jeden z generatorem synchronicznym (Enercon). Znając wartość prędkości wiatru oraz gęstość powietrza można wyznaczyć energię kinetyczną strugi wiatru napływającą na wirnik turbiny. Dzięki energii kinetycznej można określić moc tej strugi przepływającą przez powierzchnię zataczania łopat elektrowni wiatrowej.

 

 

Cały artykuł – GLOBEnergia 4/2010

 

2010 04art str 1art str 2

 

Pracująca elektrownia nie może wykorzystać całej mocy strugi wiatru, ponieważ wiązałoby się to  z doprowadzeniem prędkości wiatru po przejściu przez wirnik turbiny do zera. Stopień wykorzystania mocy wiatru przez turbinę wiatrową określa współczynnik jej wykorzystania Cp. Dodatkowo moc generowana przez turbinę zależna jest od sprawności generatora oraz zastosowanych przekładni mechanicznych. Maksymalną teoretyczną sprawność konwersji mocy wiatru na moc mechaniczną w silnikach wiatrowych wyznaczył Albert Betz. W swojej pracy opublikowanej dokładnie sto lat temu podał prawo, które mówi, że maksymalna teoretyczna sprawność konwersji mocy wiatru na moc mechaniczną wynosi 59,3%, pod warunkiem że turbina spowolnia wiatr po przejściu przez wirnik do 1/3 jego prędkości początkowej. Prawo to określa limit efektywności dla turbin wiatrowych.

 

Zobacz także:

Energetyka wiatrowa offshore

 

Charakterystyką mocy turbiny wiatrowej jest krzywa mocy (power curve), która przedstawia zależność mocy generowanej przez turbinę wiatrową od chwilowej wartości prędkości wiatru. Zależy ona od rozwiązań konstrukcyjnych turbiny, rodzaju zastosowanej mechaniki, systemów sterowania, itp.

 charakterystyka turbiny wiatrowej

W przedziale od prędkości startu do prędkości osiągnięcia mocy nominalnej moc elektrowni proporcjonalna jest do 3 potęgi prędkości wiatru oraz jest zależna od powierzchni wirnika turbiny wiatrowej. Zależność ta widoczna jest przy zestawieniu krzywych mocy na jednym wykresie. Najbardziej stromą krzywą w porównaniu z innymi jest charakterystyka turbiny wiatrowej Vestas V112. Elektrownia ta posiada najdłuższe łopaty wirnika w tym porównaniu – 54,6 m. Najbardziej płaskie krzywe mocy natomiast posiadają turbiny o mniejszych średnicach wirnika, np. Vestas V80 – długość łopaty – 39 m. W przedziale od prędkości osiągnięcia mocy nominalnej do prędkości wyłączenia turbina wiatrowa generuje stałą moc równą wartości mocy nominalnej. Jedynie w turbinie Gamesa G90 zauważalny jest spadek mocy przed osiągnięciem prędkości wyłączenia. Pracując przy prędkościach większych od prędkości osiągnięcia mocy nominalnej, elektrownia wykorzystuje tylko część energii kinetycznej wiatru.

 

Krzywa mocy posiada kilka charakterystycznych punktów, a mianowicie:

punkt prędkości startu (cut on) – prędkość wiatru, przy której zaczynają poruszać się łopaty wirnika,

punkt prędkości nominalnej – prędkość wiatru, przy której elektrownia osiąga swoją moc znamionową,

punkt prędkości wyłączenia (cut off) – prędkość wiatru, przy której następuje zatrzymanie turbiny ze względu na zagrożenie mechaniczne konstrukcji.

(…)

Podsumowanie

Dobór turbiny wiatrowej jest uzależniony od warunków wiatrowych panujących w danej lokalizacji. Doboru dokonuje się na podstawie szczegółowej analizy pomiarów parametrów wiatru, w tym intensywności turbulencji dla konkretnej lokalizacji. Nie zawsze turbina, która ma najbardziej stromą krzywą mocy, czyli produkuje więcej energii przy niższych prędkościach wiatru, będzie najlepszą dla interesującego nas obszaru.

Adam Królikowski

Cały artykuł – GLOBEnergia 4/2010

2010 04art str 1art str 2