Budowa siłowni wiatrowej

1. Charakterystyka głównych modułów elektrowni wiatrowej

Głównymi modułami elektrowni wiatrowej są: wirnik, gondola, wieża + fundament oraz układ sterowania.

Turbina wiatrowa składa się z szeregu różnych dużych komponentów i bloków tworząc razem system turbiny wiatrowej. Poszczególne elementy techniczne opisane są poniżej.


Wirnik
W elektrowni wiatrowej bardzo ważnym elementem jest wirnik. Może być on ustawiony względem osi pionowej i poziomej, stąd rozróżnienie na turbiny o osi pionowej i poziomej [HAWT i VAWT]. Gdy wirnik ustawiony jest zgodnie z wiatrem, czyli w turbinach o pionowej osi obrotu, pozwala to na samoistne ustawienie się wirnika zgodnie z kierunkiem wiatru. Ważną rolę w wirniku odgrywa liczba łopat. Przy stosowaniu mniejszej liczby łopat w konstrukcji wirnika, będzie się on szybciej obracał niż w przypadku większej liczby łopat. Najpopularniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie w konstrukcji wirnika 3 łopat. Jest to najpowszechniejsza opcja w budowie różnych modeli turbin. Rozwiązanie takie ma wyróżniki szybkobieżności (szybkobieżność podzielona przez prędkość wiatru) rzędu 6-8.

Niestety podstawową wadą takiej konstrukcji jest fakt, że turbina cechująca się wysokimi wyróżnikiem szybkobieżności łopatek generuje podczas pracy duży hałas. Dlatego właśnie producenci turbin wiatrowych nie przekraczają prędkości 70 m/s.
Poziom hałasu wirnika wzrasta z szóstą potęgą wyróżnika szybkobieżności łopatki.

Jeśli chodzi o technologie wykorzystywane w budowie wirnika elektrowni wiatrowych to stosuje się w ich budowie drewno, laminowane kompozyty łącznie z drewnem, włókna syntetyczne, kompozyty oparte na podłożu poliestru lub epoksydowe wzmacniane włóknem szklanym. Dodatkowo stosuje się całą gamę metali a przede wszystkim wszelakie stopy stali lub aluminium.

Standardowo płaty wirnika wykonane są w oparciu o profile lotnicze (np. NACA) z włókna węglowego wzmocnionego poliestrem i żywicami.

Gondola
Kolejnym elementem każdej siłowni wiatrowej jest gondola. W gondoli znajduje się generator, zespół napędowy turbiny, mechanizm odchyleń kierunkowych oraz cały systemy sterujący. Obsługa wchodzi do gondoli za pomocą drabiny zamontowanej we wieży lub używając windy.

Elektrownia wiatrowa Vestas V80 (2 MW) Przekrój gondoli turbiny wiatrowej Enercon E33 o mocy 330kW


1) sterownik piasty; 2) cylinder systemu sterowania łopatami; 3) oś główna; 4) chłodnica oleju; 5) skrzynia przekładniowa; 6) sterownik VIP z konwerterem; 7) hamulec postojowy; 8) dźwig serwisowy; 9) transformator; 10) piasta wirnika; 11) łożysko łopaty; 12) łopata; 13) układ blokowania wirnika; 14) układ hydrauliczny; 15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika; 16) pierścień układu kierunkowania; 17) rama; 18) koła zębate układu kierunkowania; 19) generator; 20) chłodnica generatora

Wał główny ma za zadanie przeniesienie pierwotnego momentu obrotowego z wirnika na przekładnię zębatą. Wał umieszczony jest na poprzecznych łożyskach.

Hamulec tarczowy – może być on zamontowany przed przekładnią zębata na głównym wale lub zaraz za przekładnią – na wale szybkobieżnym. Rozwiązanie w którym hamulec jest na wale szybkobieżnym za przekładnią pociąga za sobą konieczność stosowania specjalnego układu hamulcowego, który dostarczy odpowiedni moment obrotowy do zwolnienia wirnika. Niestety ma też to wady – podczas awarii hamulca przekładni traci się możliwość zachmowania wirnika. W siłowniach wiatrowych stosuje się różne rodzaje hamulców – np. tarczowe.

Kolejnym elementem w gondoli jest przekładnia służy ona do uzyskania odpowiedniej częstotliwości prądu elektrycznego, jaki produkuje elektrownia wiatrowa. Sieć przesyłowa ma częstotliwość rzędu 50 – 60 Hz, dlatego prąd dostarczany z siłowni wiatrowej musi mieć swoją częstotliwość także w tym samym zakresie. W celu otrzymania odpowiedniej częstotliwości stosuje się połączenie generatora + przekładnia wielobiegunowa. Przekładnia przyspiesza prędkość [ np. o przełożeniu 25:1] jest zatem niezbędna, bo większość generatorów ma po kilka biegów [ok. 3 – 6]. Turbiny przemysłowe – o dużej mocy posiadają przekładnie planetarne o ustawieniu wału zdawczego współliniowo z wałem głównym. Rozwiązanie takie daje mniejsze straty mocy a jego zaletą są stosunkowo niewielkie rozmiary.

Generator to w największym uogólnieniu urządzenie zmieniające energię mechaniczną wału wejściowego na energię elektryczną. W energetyce wiatrowej generatory stosowane w siłowniach są nieco odmienne od podobnych urządzeń energetycznych działających w sieci. Stosuje się tutaj generatory synchroniczne i asynchroniczne, zależnie od rodzaju turbiny. Generatory w elektrowni wiatrowej muszą być dostosowane do zespołu wirnika, przekładni i parametrów sieci przesyłowej. Generator prądu przemiennego musi produkować moc, która będzie zgodna z fazą sieci energetycznej. Generatory synchroniczne produkują synchronicznie z częstotliwością obrotów wału generatora energię elektryczną. Przy takim rozwiązaniu prędkość obrotowa wirnika musi być dostosowana do częstotliwości prądu płynącego w sieci. Małe turbiny wiatrowe mają generatory produkujące prąd stały do ładowania akumulatorów.

Zespół kierunkowy ma za zadanie nakierowywać wirnik siłowni wiatrowej odpowiednio do kierunku wiejącego akurat wiatru. Ustawiając wirnik się prosto na w kierunku wiatru uzyskujemy jak największą energię kinetyczną wiatru do przetworzenia na energię mechaniczną. Małe elektrownie – np. przydomowe wykorzystują do tego celu ster i dzięki niemu ustawiają się odpowiednio do wiatru. Turbiny zawodowe – o dużej mocy stosuje się już bardziej skomplikowany system aktywnej regulacji kierunku. Wiatr zmieniając swój kierunek powoduje, że czujniki włączają silnik sterujący regulacją kierunku, co powoduje obrót gondoli i zespołu wirnika W większych turbinach ustawionych pod wiatr wirniki
wymagają aktywnego regulowania kierunku, by zachować odpowiednie ustawienie wobec wiatru. Kiedy zmienia się kierunek wiatru, czujniki uruchamiają silnik sterujący regulacją kierunku, który obraca całą gondolę i wirnik w odpowiednim kierunku.

Wieża
Wieża jest dość ważnym elementem konstrukcji turbiny wiatrowej ponieważ podtrzymuje gondolę oraz układ wirnika.
Wieża za swój główny cel ma umieszczenie wirnika na odpowiedniej wysokości nad poziomem gruntu w celu lepszego wykorzystania wiatru. Jak już wiemy im wyżej tym bardziej wietrznie i lepsze efekty stosowania turbiny. Wieża elektrowni wiatrowej oprócz utrzymania ważącej często kilka ton gondoli ma za zadanie znosić także obciążenia grawitacyjne, obrotowe, bicia i napory wiatru. Konstrukcja zatem musi być wytrzymała nie tylko na warunki technicznej eksploatacji turbiny ale także na warunki środowiska – szrony, oblodzenia, ośnieżenia, deszcze i wyładowania atmosferyczne.

Częstym rozwiązaniem jest turbina wiatrowa w której wysokość wieży = średnica wirnika.

Wieże mogą być rurowe, kratownicowe lub betonowe. Najczęściej obecnie stosowanymi wieżami są wieże wykonane z rur ze stali nierdzewnej. Rozwiązanie w postaci masztu, utrzymywanego w poziomie za pomocą lin, jest stosowane tylko w małych turbinach (służących na przykład do ładowania baterii akumulatorów). Wieże składa się z elementów, co ułatwia znacznie jej transport i montaż. Przy montażu wirnika na wieży, często używa się specjalnych wind, dźwigów a nawet helikoptera.

Wieże rurowe. Elementy wież rurowych są odcinki o długości 20-30 m, które po transporcie na miejsce budowy zestawia się i montuje w całość. Kształt wieży jest stożkowy z promieniem górnej podstawy zmniejszającej się – średnica wieży wzrasta ku podstawie. Takie rozwiązanie prowadzi do lepszych parametrów wytrzymałościowych i oszczędności materiału. Wieża o wysokości 50 m. waży ok. 40 ton.
Na rysunku po lewej stronie przedstawiono proces zwijania arkusza stalowej blachy, z której powstanie segment wieży; po prawej fragment wieży na miejscu montażu siłowni.

Wieże kratownicowe wykonywane są ze spawanych profil stalowych, są tańsze od wież rurowych i ich zaletą jest fakt, że do wykonania wieży kratownicowej wymagany jest mniejszy fundament i mniej materiału. Wadą jest natomiast wygląd (chociaż może to być dyskusyjne). Właśnie ze względów estetycznych wieże kratownicowe prawie wyszły z użycia w większych elektrowniach.

Wieże masztowe. Wiele małych elektrowni wiatrowych posiada wąski maszt, podparty stalowymi linami. Korzyścią takiego rozwiązania są niskie koszty i mały ciężar konstrukcji. Wadą jest większy zajmowany obszar (liny), co jest szczególnie niepożądane, kiedy elektrownia ma stać na terenach uprawnych. Kolejną wadą jest podatność na akty wandalizmu.

Zaletą wież kratowych i masztowych, jest mniejszy cień aerodynamiczny.

Cena wieży stanowi około 20 procent całkowitej ceny elektrowni. Dla wieży o wysokości 50 metrów, dodatkowy koszt kolejnych 10 metrów będzie wynosił około 15 000 USD. Dlatego bardzo ważne, dla finalnego kosztu energii jest wybranie optymalnej konstrukcji. W związku z tym, że prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością, korzystnie jest stosować wysokie wieże (szczególnie na obszarach o dużej szorstkości).

Każdy metr oznacza dodatkowe koszty, więc optymalna jej wysokość jest funkcją:

  • kosztu wieży na metr wysokości
  • zmiany prędkości wiatru w zależności od wysokości nad ziemią
  • ceny, za jaką właściciel elektrowni będzie sprzedawał energię

Wielu producentów dostarcza elektrownie, w których wysokość wieży jest równa średnicy wirnika. Takie rozwiązanie wielu ludzi uważa za najbardziej estetyczne i przyjemne dla oka.

Źródło:
-„Zależność między poziomem rozwoju energetyki odnawialnej a produkcją urządzeń dla wybranych OŹE w różnych krajach” Paweł Pociask
-www.alternatives-magazine.com
-www.elektrownie.tanio.net

admin

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *