Koncepcja turbiny wiatrowej

Koncepcja turbiny wiatrowej to przełomowy projekt. Należy on do jednej z najbardziej przełomowych technologii XX wieku. Technologia turbin wiatrowych oferuje ekonomiczne rozwiązania w zakresie wytwarzania energii elektrycznej. Celem działań jest wyeliminowanie zależności świata od źródeł paliwowych, takich jak ropa naftowa i gaz.

W związku z tym, technologia turbin wiatrowych jest wytwarzana w oparciu o energię elektryczną bez efektu cieplarnianego i gazów powodujących śmiertelne zanieczyszczenia. Technologia turbin wiatrowych oferuje energię elektryczną przy niższych kosztach instalacji i konserwacji, w przeciwieństwie do innych źródeł energii. Daje także wiele pracy dla techników, a co za tym idzie oferuje cały pakiet kursów zgodnie ze standardami.

W tym rozwiązaniu turbina wiatrowa jest maszyną, która przetwarza energię wiatru na energię elektryczną. Nie należy jej mylić z innym typem maszyny – wiatrakiem, który przetwarza energię wiatru na energię mechaniczną.

Nowoczesna turbina wiatrowa

Aktualnie turbina wiatrowa można podzielić na dwie konfiguracje w zależności od osi obrotu łopat wirnika:

  •  pierwszy to turbiny wiatrowe z osią poziomą (HAWT),
  •  drugi to turbiny wiatrowe z osią pionową (VAWT).

W ostatnich latach większość komercyjnych turbin wiatrowych stanowią turbiny wiatrowe z osią poziomą (HAWT). Oś obrotu jest w nich 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 HWAT jest wyższa od osi pionowej turbiny wiatrowe dzięki lepszemu współczynnikowi mocy w HWAT. Zwiększona moc daje większą efektywność.

Jednak generatory i przekładnie tych turbin mają być umieszczone nad wieżą, co sprawia, że ich konstrukcja jest bardziej skomplikowana i kosztowna. Konstruktorzy zrezygnowali z tego rozwiązania.

Koncepcja turbiny wiatrowej – HAWT 

Turbiny wiatrowe o poziomej osi można sklasyfikować jako jednołopatkowe, dwułopatkowe, trzyłopatkowe i wielołopatkowe. Pojedyncze łopaty HAWT nie są obecnie szeroko stosowane, mimo że wydają się oszczędzać koszty związane z oszczędnościom materiałowym. 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.

Dwu łopatowe turbiny wiatrowe mają prawie tę samą wadę co turbiny z pojedynczą łopatą i produkują nieco mniej energii niż turbiny z trzema łopatami. Turbiny wielołopatkowe są najczęściej wykorzystywane jako “wiatraki pompujące wodę” i nie są wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej. Dlatego też większość obecnych komercyjnych turbin wiatrowych posiada trzy łopaty.

Klasyfikacja turbin wiatrowych

Turbiny wiatrowe z osią poziomą, bazują na orientacji wirnika. Można również podzielić je na turbiny wiatrowe z wirnikiem „do wiatru” i „z wiatrem”, czyli 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. Jeśli chodzi o siły wiatru, obracają one wirnik w kierunku krawędzi natarcia łopaty. Dlatego też potrzebują dodatkowego aktywnego mechanizmu. Nazywa się go mechanizmem „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 w sytuacji z wiatrem 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. Dzięki temu koncepcja turbiny wiatrowej jest skuteczna.

koncepcja farmy wiatrowej

Koncepcja turbiny wiatrowej, a farmy wiatrowe

Liczne projekty farm wiatrowych buduje się na całym świecie w technologii turbin wiatrowych. Zarówno na morzu, jak i na lądzie. Instalatorzy montują lądowe turbiny wiatrowe w terenach górskich, w celu osiągnięcia wyższych prędkości wiatru. Jednak lądowe turbiny wiatrowe nie są budowane tak szybko jak morskie. Dzieje się tak 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 turbinami zainstalowanymi na lądzie. Dzieje się tak, 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. Wydobywają się tam też mniejsze odgłosy akustyczne emitowane przez turbinę. Z drugiej strony, lądowa koncepcja turbiny wiatrowej ma pewne inne zalety. Należą do nich: tańsza konstrukcja nośna, tańsza instalacja i dostęp w okresie budowy, tańsza integracja z siecią elektroenergetyczną oraz tańszy i łatwiejszy dostęp do eksploatacji i konserwacji.

Morskie turbiny wiatrowe i ich elementy

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.

Rotor

Najważniejszą częścią turbiny wiatrowej jest wirnik, który składa się z piasty i łopat. Wirnik odbiera energię kinetyczną z przepływu wiatru i przekształca ją w mechaniczną za pomocą moc wału.

Łopaty wirnika

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.

Koncepcja Turbiny wiatrowej - parametry profili powietrznych.

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

Siły na profilu powietrznym

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

Zgodnie z twierdzeniem Bernoullego, 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 spowodują powstanie siły R, która jest podzielona na dwa główne składniki w kierunkach x i y w następujący sposób:

Siła nośna – określana jest jako siła pionowa w stosunku do kierunku nadchodzącego przepływu powietrza. Siła nośna jest wynikiem nierównomiernego nacisku na górną i dolną powierzchnię profilu powietrznego.

Ważne wzory

Siła podnoszenia jest określona przez:

RL = CL 1 qAV2 = współczynnik siły nośnej × siła dynamiczna. Siła oporu – definiuje się ją jako siłę równoległą do kierunku nadchodzącego przepływu powietrza. Wpływają na nią zarówno siłt tarcia na powierzchni profilu powietrznego, jak i nierównomierny nacisk na powierzchnie profilu powietrznego. Określana literami FD siła oporu określona jest wzorem:

RD = CD 1 qAV2 = Współczynnik siły oporu × siła dynamiczna, gdzie q to gęstość powietrza, V to prędkość niezakłóconego przepływu powietrza, A to rzutowany obszar profilu powietrznego (pas × rozpiętość), a 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, naukowcy mierzą się przez niektóre przetworniki umieszczone w płaszczyznach pionowej i poziomej.

Siły nośne i oporu na profilu powietrznym zależą od kąta natarcia, α, który jest 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. Oddziela warstwy graniczne od profilu powietrznego. Dlatego też siła oporu szybko wzrasta i siła nośna spada w tym rejonie.