Człowiek interesował się energią wiatru od początku istnienia na Ziemi. Pierwsze konstrukcje wiatrowe używane były przede wszystkim w rolnictwie do mielenia ziarna i pompowania wody.

Dawne kultury z powodzeniem wykorzystywały siłę wiatru, między innymi  Egipcjanie 2000 lat p.n.e, do napędu swoich łodzi, lub w Indiach 400 lat p.n.e. do transportowania wody. Również w Chinach 200 lat p.n.e stosowano wiatraki w kształcie kołowrotów do nawadniania pól uprawnych. Na początku naszej ery wiatraki pojawiły się w krajach basenu Morza Śródziemnego. Rok 644 n.e. uznany został za datę pierwszej udokumentowanej wzmianki o wiatrakach.

Powrót do wykorzystania energii wiatru datuje się na początek lat pięćdziesiątych. W 1950 roku inżynier Johannes Juul jako pierwszy skonstruował siłownię wiatrową z generatorem prądu przemiennego. Jego kolejne rozwiązania konstrukcyjne zawarte w elektrowni wiatrowej o mocy 200 kW zbudowanej w 1957 roku na wybrzeżu Gedser w Danii wykorzystywane są do dzisiaj. Turbina Gedsera przez 11 lat pracowała podłączona do sieci.

W latach 80 XX wieku nastąpiło znaczne przyśpieszenie rozwoju przemysłowej energetyki wiatrowej. Na przestrzeni kilkunastu lat zostały opracowane nowe rozwiązania techniczne w zakresie konstrukcji elektrowni wiatrowych. W tworzeniu nowej gałęzi przemysłu brał udział między innymi profesor Ulrich Hutter (Niemcy), który w krótkim czasie skonstruował serię prototypowych, horyzontalnych urządzeń o zmiennym ustawieniu kątów natarcia skrzydeł.

Pierwsza seryjna produkcja elektrowni wiatrowych ruszyła po roku 1980. Duńskie zakłady energetyczne produkowały maszyny o generatorach 660 kW. Niestety elektrownie te były mało efektywne i całkowicie nieopłacalne pod kątem produkcji energii elektrycznej. Dopiero w latach 90 po pokonaniu problemu nieekonomiczności wcześniej działających elektrowni wiatrowych, powstały pierwsze urządzenia produkujące energię na skalę przemysłową. Pierwsze profesjonalne elektrownie wiatrowe miały moce ok. 600 kW, następnie 800 kW, a w końcu przekroczono wielkość 1MW.

Obecnie generatory osiągają wielkość rzędu kilku megawatów (np. REpower 6M o mocy 6 MW). Są to konstrukcje złożone z licznych, skomplikowanych elementów i podzespołów. Ogólnie schemat konstrukcyjny elektrowni wiatrowej można podzielić na:

– wirnik

– gondola

– wieża

– fundament

– infrastrukturę elektryczną

 

Cały artykuł – GLOBEnergia 3/2009

 

Wirnik

Za jego pośrednictwem energia kinetyczna wiatru zamieniana jest na energię mechaniczną. Udział masy wirnika w stosunku do masy całej elektrowni wiatrowej mieści się w granicach 0,064?0,354. Wirnik składa się z piasty i przymocowanych do niej łopat. Spotykamy wiele rozwiązań konstrukcyjnych, do których należy zaliczyć:

Wirnik jednołopatowy

Do najważniejszych zalet takiej konstrukcji możemy zaliczyć prostą konstrukcję samego wirnika, jak również mechanizmu odpowiedzialnego za zmianę kąta nastawienia łopat. Kolejną i bardzo dużą zaletą jest fakt, że przy silnych burzowych wiatrach jest możliwe łatwe i szybkie wystawienie łopaty w pionie w celu wyhamowania wirnika. Wady to przede wszystkim duże momenty skręcające wieżę, duże momenty bezwładności względem pionowej osi, które powodują drganie całej konstrukcji. (…)

Wirniki dwułopatowe

Posiadają więcej wad niż zalet. Jedyną zaletą jest prosta konstrukcja, natomiast wadą jest duży zmienny moment bezwładności powodujący przy obrocie głowicy znaczne zmienne momenty skręcające wieżę. Do wad należy zaliczyć również duży hałas spowodowany znaczą prędkością obwodową końców łopat. (…)

Wirnik trójłopatowy

Jest to najpopularniejsza konstrukcja ze względu na swoje liczne zalety, do których możemy zaliczyć stałą wartość momentu obrotowego  wirnika, co zapewnia stabilność całej konstrukcji. Występuje mała wrażliwość na podmuchy wiatru. Rozwiązanie takie zapewnia również łatwość w obrocie głowicy. Wadą jest natomiast  złożona konstrukcja.

Na wirnik składają się łopaty osadzone na piaście za pomocą łożysk. Dzięki siłownikom hydraulicznym możliwa jest zmiana kąta natarcia łopat.  Łopaty dla elektrowni wiatrowych wykonywane są z żywic epoksydowych wzmacnianych włóknem szklanym, węglowym lub Kevlarem. Włókna aramidowe – Kevlar są bardzo sprężyste, a przy tym bardzo wytrzymałe i lekkie.

Gondola

Zbudowana jest ze stali lub tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym. Od wewnętrznej strony izolowana jest akustycznie. Wewnątrz gondoli znajdują się najważniejsze maszyny i urządzenia. Budowę  poszczególnych elementów gondoli przedstawiono na przykładzie elektrownie REpower MM92. Taki typ elektrowni po raz pierwszy został zainstalowany w Polsce w 2009 w miejscowości Łęki Dukielskie, województwo podkarpackie.

Łożyska wału

Wykorzystuje się wysoko wydajne sferyczne łożyska wału, które dzięki stałemu smarowaniu cechują się długą wytrzymałością i niezawodnością.

System śledzenia kierunku wiatru

W jego skład wchodzą czujniki, które mierzą kierunek wiatru oraz oprogramowanie sterujące. System działa przy prędkości wiatru mniejszej niż prędkość włączania elektrowni. Kiedy zostanie namierzony kierunek wiatru, oprogramowanie włącza motoreduktory, przy pomocy których obracana jest gondola, która przyłączona jest do wieży za pomocą łożyska. Motoreduktory wyposażone są w hamulce tarczowe, dzięki którym możliwe jest utrzymywanie gondoli w odpowiednim położeniu. W skład systemu śledzenia kierunku wiatru wchodzi również zabezpieczenie przed skręcaniem się kabli. Gdy gondola obróci się o więcej niż dwa i pół obrotu urządzenie odwija kabel.

System hamulcowy

Hamulec mechaniczny zbudowany jest z tarczy umieszczonej na wale generatora, klocków i siłowników hydraulicznych. Hamulec ten jest uruchamiany wyłącznie ze względów bezpieczeństwa. Inną metodą wyhamowania elektrowni jest ustawienie łopaty pozycji chorągiewki. Odbywa się to za pomocą regulacji kąta natarcia łopat. Również wyhamowanie całej konstrukcji odbywa się dzięki redukcji na skrzyni biegów.

System odgromowy

Układ odgromowy służy do bezpiecznego odprowadzenia do ziemi prądu piorunowego pochodzącego z bezpośredniego uderzenia pioruna w elektrownię wiatrową. Miejscami najbardziej narażonymi na bezpośrednie trafienie są: łopaty wirnika, gondola, elementy wieży, czujnik do pomiaru wiatru czy elementy oświetlenia.

Generator i konwerter

Serce elektrownie wiatrowej. Dzięki tym urządzeniom możliwa jest produkcja prądu elektrycznego. W nowoczesnych elektrowniach stosuje się generatory i konwertery, które cechują się:

-zoptymalizowaną zmienną prędkością obrotową

-małymi  stratami i wysokiej wydajności konwertera

-optymalnym poziomem temperatury w generatorze, nawet przy wysokich temperaturach na zewnątrz

 

Wieża

Na niej umiejscowiona jest głowica z wirnikiem. Udział masy wieży w stosunku do całkowitej masy elektrowni wiatrowej mieści się w granicach 0,304-0,781. Dla elektrowni dużej mocy stosuje się wieże stalowe rurowe, które mają stożkowy kształt – są szersze na dole i zwężają się ku górze. Rozwiązanie takie jest ekonomiczne, gdyż pozwala na oszczędność materiału, z którego wykonana jest wieża, a przy tym zapewnia wytrzymałość. Wieża wykonywana jest z segmentów, co zapewnia łatwość transportu. Wykonuje się je z arkusza blachy o grubości 12.500 mm x 3.500 mm, który następnie się zwija tworząc odpowiedni segment.

Fundament

Stanowi podstawę dla elektrowni wiatrowej. Jego wymiary muszą być dobierane do warunków geologicznych panujących na terenie lokalizacji elektrowni. Stosuje się fundamenty żelbetowe. Fundament posiada również instalację odgromową, która stanowi uziemienie dla całej konstrukcji elektrowni.

Dla farm morskich stosuje się fundamenty betonowe lub stalowe, które następnie wypełnia się piaskiem i żwirem dla odpowiedniego balastu. Są to fundamenty tak zwane grawitacyjne, gdyż siła grawitacji utrzymuje elektrownie wiatrową na miejscu i w pozycji pionowej.

Infrastruktura elektryczna

Stacje transformatorowe stanowią integralną część systemu dystrybucji i rozdziału energii, są jednocześnie niezbędnym elementem wyposażenia przyłączy energetycznych elektrowni wiatrowych. W chwili obecnej produkowane stacje charakteryzują się trwałością, bezpieczeństwem w czasie eksploatacji, posiadają komplet atestów, modułową budowę, dostosowanie są do architektury. Nowoczesne stacje kompaktowe charakteryzują się małą powierzchnią terenu potrzebną do jej zabudowy oraz łatwością i krótkim czasem montażu.

 

zobacz także:

Małe turbiny wiatrowe

Przydomowe elektrownie wiatrowe

 

Maciej Duraczyński, GLOBEnergia

Cały artykuł – GLOBEnergia 3/2009