Koncepcja turbiny wiatrowej

Jedną z istotnych technologii XX wieku jest technologia turbin wiatrowychktóra oferuje ekonomiczne rozwiązania w zakresie wytwarzania energii elektrycznej w celu wyeliminowania zależności świata od źródeł paliwowychtakich jak ropa naftowa i gaz. 

związku z tym technologia turbin wiatrowych jest wytwarzana w oparciu o energię elektryczną bez efektu cieplarnianego i gazów powodujących śmiertelne zanieczyszczeniaTechnologia turbin wiatrowych oferuje energię elektryczną przy niższych kosztach instalacji i konserwacji, w przeciwieństwie do innych źródeł energii. 

tym rozwiązaniu turbina wiatrowa jest maszynąktóra przetwarza energię wiatru na energię elektryczną i nie należy jej mylić z innym typem maszyny – wiatrakiemktóry przetwarza energię wiatru na energię mechaniczną. 

 

Nowoczesna turbina wiatrowa 

Nowoczesne turbiny wiatrowe można podzielić na dwie konfiguracje w zależności od osi obrotu łopat wirnikaturbiny wiatrowe z osią poziomą (HAWT) oraz turbiny wiatrowe z osią pionową (VAWT) 

ostatnich latach większość komercyjnych turbin wiatrowych stanowią turbiny wiatrowe z osią poziomą (HAWT), których  obrotu jest pozioma do gruntu i prawie równoległa do przepływu wiatruTurbiny tego typu mają pewne zauważalne zaletytakie jak niska prędkość wiatru i łatwe rolowanieOgólnie rzecz biorącmoc wyjściowa HWAT jest wyższa od osi pionowej turbiny wiatrowe dzięki lepszemu współczynnikowi mocy w HWAT. 

Jednak generatory i przekładnie tych turbin mają być umieszczone nad wieżą, co sprawiaże ich konstrukcja jest bardziej skomplikowana i kosztowna. 

Turbiny HAWT  

Turbiny wiatrowe o poziomej osi można sklasyfikować jako jednołopatkowedwułopatkowetrzyłopatkowe i wielołopatkowePojedyncze łopaty HAWT nie  obecnie szeroko stosowanemimo że wydają się oszczędzać koszty związane z oszczędnościom materiałowym. Aby zrównoważyć ciężar pojedynczych łopatwymagają one przeciwwagi po przeciwnej stronie piastyDodatkowo potrzebują one większej prędkości wiatru, aby wytworzyć taką samą mocjaką uzyskuje się dzięki trzem łopatom HAWT. 

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

Klasyfikacja turbin wiatrowych 

Turbiny wiatrowe z osią poziomąbazujące na orientacji wirnikamożna również podzielić na turbiny wiatrowe z wirnikiem „do wiatru” i „z wiatrem”, czyli ciągnącym i pchającymKiedy wiatr uderza w wirnik przed wieżą i sprawiaże obraca sięwtedy nazywa się to turbiną wiatrową z wiatremZaletą konstrukcji (ciągnącejczyli do wiattu jest to, że łopaty mogą pracować w niepodzielonym przepływie powietrza, a siły wiatru obracają wirnik w kierunku krawędzi natarcia łopatyDlatego też potrzebują one dodatkowego aktywnego mechanizmumechanizmu „jołowania – rotowania łopaty” YAW, aby utrzymać wirnik (łopatyprzed 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 zmieniadlatego turbina wiatrowa do wiatru odchyla się szybciej niż z wiatrem ze względu na aktywny mechanizm odchylenia. 

Farmy wiatrowe 

Liczne projekty farm wiatrowych  budowane na całym świecie w technologii turbin wiatrowych zarówno na morzujak i na lądzie. 

Lądowe turbiny wiatrowe  często instalowane na terenach górskich w celu osiągnięcia wyższych prędkości wiatruJednak lądowe turbiny wiatrowe nie  budowane tak szybko jak morskie ze względu na pewne ograniczeniatakie 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 tymi samymi turbinami zainstalowanymi na lądzie 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 i mniejsze odgłosy akustyczne emitowane przez turbinę. Z drugiej stronylądowe systemy wiatrowe mają pewne inne zaletyktóre sprawiająże  one również istotnetakie jaktańsza konstrukcja nośnatańsza instalacja i dostęp w okresie budowytańsza integracja z siecią elektroenergetyczną oraz tańszy i łatwiejszy dostęp do eksploatacji i konserwacji. 

Morskie turbiny wiatrowe 

Elementy turbin wiatrowych 

Obecnie większość komercyjnych turbin wiatrowych to turbiny wiatrowe o poziomej osi z typowymi trzema łopatamiGłówne podsystemy poziomej turbiny wiatrowejmożna rozdzielić na wirnik składający się z łopat i piastyGondolęktóra obejmuje przekładnięukład napędowyczęści sterujące i system „jołowania – YAW”; wieżę i fundament, który zależy od typu turbinyna lądzie lub na morzu i wreszcie równowagę systemu elektrycznegoktóry obejmuje kablerozdzielnicetransformatoryfalowniki i ewentualnie elektroniczne przetwornice mocy. 

ROTOR 

Najważniejszą częścią turbiny wiatrowej jest wirnikktóry składa się z piasty i łopatWirnik odbiera energię kinetyczną z przepływu wiatru i przekształca  w mechaniczną za pomocą moc wału. 

Łopaty wirnika 

Aerodynamika łopat wirnika 

Aerodynamika zajmuje się wpływem sił gazowych na ciałagdy powietrze lub inne gazy przez nie przechodząPodczas 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 powietrznymktóry służy do generowania sił mechanicznych spowodowanych ruchem cieczy wokół profilu powietrznegoSzerokość i długość łopaty zależą od pożądanej wydajności aerodynamicznej i maksymalnej wymaganej mocy wirnika. 

 

Parametry profili powietrznych 

Główne cechy profilu powietrznego pokazano na rysunkuWzdłuż łopat stosuje się różne rodzaje profili powietrznych w celu wychwytywania energii z wiatruPrzy projektowaniu łopat dostępnych jest wiele rodzajów profili powietrznychktóre  klasyfikowane według numerów określonych przez NACA (Krajowy Komitet Doradczy ds. Lotnictwa 

 

Siły na profilu powietrznym 

Gdy profil powietrzny znajduje się w strumieniu wiatrupowietrze przechodzi zarówno przez górnąjak i dolną powierzchnię łopatyktóra ma typowy zaokrąglony kształt. Taki kształt sprawiaże powietrze pokonuje większą odległość na jednostkę czasu w górnej części łopatki niż z niższej stronyInnymi słowycząsteczki powietrza poruszają się szybciej w górnej części profilu powietrznego. 

Zgodnie z twierdzeniem Bernoullegoróżnorodność prędkości w górnej i dolnej części łopaty daje różny nacisk na górną i dolną powierzchnię profilu powietrznego. W związku z tymte 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 powietrzaSiła nośna jest wynikiem nierównomiernego nacisku na górną i dolną powierzchnię profilu powietrznegoSiła podnoszenia jest określona przez 

RL = CL 1 qAV2 = współczynnik siły nośnej × siła dynamiczna 

 

Siła oporu – definiowana jest jako siła równoległa do kierunku nadchodzącego przepływu powietrzaSiła oporu jest spowodowana zarówno siłami tarcia na powierzchni profilu powietrznegojak i nierównomiernym naciskiem na powierzchnie profilu powietrznegoSiła oporu (FD) równa się 

 

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 oporuktóre można znaleźć w eksperymentach w tunelu aerodynamicznym. W tunelu aerodynamicznym siły nośne i siły oporu stałego profilu powietrznego  mierzone 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 profilusiła 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 turbulentnymktóry oddziela warstwy graniczne od profilu powietrznegoDlatego też siła oporu szybko wzrasta i siła nośna spada w tym rejonie.