Turbiny wiatrowe

„Wiatr wieje tam, gdzie chce, szum jego słyszysz, lecz nie wiesz, skąd przychodzi i dokąd podąża” – ten ewangeliczny zapis najlepiej oddaje specyfikę wiatru. Dziś oczywiście znamy dobrze przyczyny i źródła ich powstawania, możemy wyznaczać prawidłowości. Nigdy jednak nie potrafimy dokładnie określić, jaki będzie ich rozkład w ciągu roku albo przewidzieć sytuacji krytycznych jak huragany czy tornada, na szczęście pojawiających się u nas niezmiernie rzadko.

 

Przeciętny wiatr, wiatr nadpowierzchniowy, najbardziej istotny do wykorzystania energii, wieje z prędkością 40 km/h. Dla różnych punktów Ziemi wyznacza się zatem tzw. róże wiatrów charakteryzujące

ich siłę, częstotliwość, kierunki. Wykorzystanie tej wciąż rozpoznawalnej energii realizuje się przez rozwiązania sprawdzone, kompleksowe, choć jeszcze drogie; a co najważniejsze, przyjazne dla środowiska i dające szanse zastąpić konwencjonalne źródła energii.

W ciągu ostatnich dziesięcioleci burzliwy rynek rozwoju energetyki wiatrowej na świecie (USA, Europa, Japonia) ustalił się ostatecznie. Nastąpił tez wyraźny podział energetyki odnawialnej na dwie grupy. Pierwsza to mała energetyka autonomiczna, wykorzystująca siłę wiatru do celów niewielkiego zaplecza domowego, gospodarczego lub potrzeb telekomunikacji; zazwyczaj na poziomie kilku do kilkudziesięciu kW mocy i prawie zawsze na sieć wydzieloną. Druga grupa, dla nas istotniejsza, dotyczy dużych siłowni wiatrowych, których wczorajszym standardem jest siłownia o mocy zainstalowanej rzędu 600 kW, a dziś 1,5 MW do 4,5 MW, a nawet większej. Lokalizacja na jednym obszarze elektrowni o dużej mocy wymagała do niedawna dużej ilości generatorów i urządzeń rozdzielczo-sterujących zbierających wszystko w jeden wspólny system. Dziś buduje się jeden lub kilka zespołów z dużymi turbinami.

Turbina wiatrowa powinna być usytuowana w miejscu, gdzie w ciągu roku prędkości wiatru są największe, a ukształtowanie terenu nie powoduje jego nadmiernych zawirowań. W rzeczywistości jednak, mimo najlepszych lokalizacji, już na wysokości kilkunastu metrów prędkości wiatru są zróżnicowane. Te nawet niezbyt duże różnice wywołują różne siły, oddziaływujące przez tarcie strug powietrza na łopatki turbiny (ukształtowane na wzór samolotowych skrzydeł). Nadmierne zróżnicowanie naprężeń lokalnych grozi zawsze zniszczeniem turbiny. Usytuowanie piasty turbiny na odpowiedniej wysokości oraz określenie długości łopatki jest tu zadaniem podstawowym. Moc wiatru jest jednak zmienna w czasie. Jego prędkość niestała. Bezwładność wirujących mas turbiny łagodzi w pewnym stopniu zmienność warunków, lecz nie na tyle, aby nie uwzględnić ich w rozwiązaniach konstrukcyjnych. Potrzebne są zatem zawsze miejscowe parametry róży wiatrów.

Turbiny wiatrowe dzielą się na dwa podstawowe rodzaje: o poziomej osi obrotu (HAWT) oraz osi pionowej (VAWT) Turbiny o pionowej osi stosowane są dziś rzadko. Do tych pierwszych natomiast odnosi się tzw. układ klasyczny, czyli turbina, która posiada tradycyjne skrzydło, o ilości łopat zależnej od wizji projektanta. Zwykle układy takie są trójpłatowe, choć zdarzają się dwu i jednopłatowe. W przypadku gdy chcemy, aby wirnik posiadał duży moment startowy, zwiększa się liczbę łopat. Wirniki dzieli się z uwagi na miejsce zainstalowania – przed albo za masztem w stosunku do wiejącego wiatru (w terminologii angielskiej: up-wind lub down-wind). W skład turbiny, najogólniej mówiąc, wchodzą: wirnik, wał napędowy, piasta, skrzynia biegów, generator, gondola i wieża. Podstawowym parametrem jest zawsze średnica wirnika, wyznaczająca możliwą do osiągnięcia moc nominalną. I tak, na przykład, siłownie o mocy 600 kW wyposażone są w wirniki o średnicach od 43 do 48 m. Coraz częściej stosowane siłownie o mocy 1,5 MW mają wirniki o średnicy 70 m, a o mocy 4,5 MW o średnicy dochodzącej do 112 m.

Turbiny wiatrowe przetwarzają energię kinetyczną wiatru na energię użyteczną za pośrednictwem rotora, umieszczonego na wale połączonym z generatorem energii elektrycznej. Prąd wytwarzany jest wskutek ruchu obrotowego prądnicy, który wywołuje energia wiatru. Wielkością determinującą jest prędkość wiatru. Ta z kolei zmienna jest w czasie. Jak więc otrzymać na wyjściu prądnicy stałą moc elektryczną? Stabilizacja pracy turbiny na poziomie nominalnej mocy zapewnia jej

największą efektywność. Najpewniej można ją uzyskać uniezależniając prędkość turbiny od prędkości wiatru. Dokonuje się tego przez dobór odpowiedniej średnicy wirnika oraz przez regulację ustawienia skrzydeł. Ustalenie odpowiedniego zakresu prędkości oraz dopasowanie do niego mocy turbiny jest tutaj podstawowym celem konstrukcji. Dopiero jednak analiza prędkości wiatrów, występujących w ciągu całego roku w planowanym miejscu ustawienia, dostarcza nam niezbędnych danych. Jest jeszcze regulacja ustawienia elektrowni w kierunku wiatru, która należy do najtrudniejszych problemów i ma też kilka rozwiązań. Najogólniej, realizowana jest w sposób tzw. pasywny bądź aktywny w oparciu o rejestracje kierunków wiatrów i – podobnie jak regulacja ustawienia łopat – jest rozpracowywana automatycznie.

Dziś większość elektrowni wiatrowych jest produkowana przez kilkanaście firm. Znakomita większość tych firm to firmy duńskie, z których pierwsze dwie, tj. Vestas i NEG Micon, produkują rocznie siłownie o mocy nominalnej przekraczającej setki megawatów. Obok tych duńskich potentatów należałoby wymienić firmy, takie jak Zond (USA), Bonus, Nordex, Wind World (też Dania), Tacke, Enercon, HSV, Jacobs (Niemcy), Nedwind, Lagerwey (Holandia), Mitsubishi (Japonia), Wind Energy Group (Wielka Brytania). Większość z nich otworzyło swoje przedstawicielstwa i montownie w krajach, gdzie rynek energetyki wiatrowej dopiero niedawno zaczął się rozwijać.