Turbozespoły poziome w elektrowniach wiatrowych

0 /5
(Ocen: 0)

Gdy słyszymy termin energia z wiatru na myśl przychodzą nam wiatraki (starszemu pokoleniu) lub wzorowane na nich elektrownie wiatrowe (pokoleniu młodszemu). Drewniany zabytek i nowoczesna elektrownia wiatrowa obowiązują te same prawa prawa fizyki. W tym artykule przybliżamy turbozespoły poziome w elektrowniach wiatrowych.

Energia wiatru – wzór

Energia wiatru może być zamieniona na energię elektryczną. Zależność opisana jest wzorem

P=0,5*ρ*A*V3

Gdzie:
P – moc w watach,
ρ – gęstość powietrza w kg/m3 (około 1,225 Kg/m na poziomie morza),
A – powierzchnia, na którą napiera wiatr. W przypadku wiatraków jest to powierzchnia koła, na którym działa wirnik wyrażona m2 (wzór na powierzchnię koła to ?*r2 (gdzie r to promień wirnika),
V – prędkość wiatru w m/s.

Jak wynika z analizy wzoru:

  • podwojenie prędkości wiatru zwiększa 8-krotnie wartość mocy,
  • dwukrotne zwiększenie promienia łopat skutkuje 4-krotnym zwiększeniem mocy.

Na prędkość wiatru nie mamy wpływu. Możemy wybrać lokalizację masztu i starać się uzyskać jak największą powierzchnię, na którą oddziaływuje wiatr. Pomysłowość ludzka i poszukiwanie nowych rozwiązań nie mają granic.

Elektrownia wiatrowa. Historia

Pierwsza elektrownia wiatrowa została zbudowana w 1878 Charlesa F. Brusha. Wirnik miał średnicę 17 metrów. Zbudowany był z 144 łopat z drzewa cedrowego. Działała ono przez 20 lat, ładując akumulatory znajdujące się w posiadłości Ch.F. Bruscha. Moc turbiny wynosiła 12 kW.

Innym pionierem i zarazem badaczem wykorzystania energii wiatru był duński naukowiec Poul la Cour (1846-1908). Wykazał on, że znacznie wydajniejsze dla generatorów elektrycznych są wirniki o kilku łopatach niż turbiny wielołopatkowe.

Elektrownia wiatrowa. Rodzaje

W zależności od rodzaju konstrukcji turbozespoły możemy turbiny podzielić na:

  • turbiny o poziomej osi obrotu – HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbine),
  • turbiny o pionowej osi obrotu – VAWT (ang.Vertical Axis Wind Turbine).

Najpopularniejsze są turbozespoły poziome.

Turbozespoły poziome w elektrowniach wiatrowych

Najbardziej rzucającą się w oczy różnicą pomiędzy turbozespołami poziomymi jest liczba płatów. Spotykane są:

  • turbiny jednopłatowe – rozwiązanie rzadkie ze względu na konieczność stosowania przeciwwagi dla łopaty,
  • turbiny dwupłatowe – w porównaniu z turbiną jednołopatową pozwalają zmniejszyć masę wirnika, a w konsekwencji zredukować koszty.
  • turbiny trzypłatowe – są to najbardziej rozpowszechnione konstrukcje elektrowni wiatrowych. Zastosowanie trzech łopat, rozłożonych równomiernie, zapewnia stały moment bezwładności wirnika. Ze względu na stosunkowo niską prędkość obrotową, turbozespoły te nie emitują zbyt dużego hałasu. Pozwalają na dobre wykorzystanie energii wiatru.

Nie zawsze więcej znaczy lepiej. W USA rozpowszechnione są turbiny wielopłatowe. Badania aerodynamiczne wykazały, że nie są one najbardziej efektywne w elektrowniach wiatrowych.

Jak zwiększyć prędkość wiatru?

Jeżeli w rurze, przez którą przepływa ciecz lub gaz (czyli np. powietrze), występuje zwężenie, to ciśnienie statyczne w zwężeniu jest niższe niż przed i za zwężeniem. Ściśliwość cieczy lub gazu, przy prędkościach mniejszych od prędkości dźwięku w ośrodku, prawie nie występuje. W zwężeniu następuje więc zwiększenie prędkości przepływu.

Co to daje? Jak wynika ze wzoru, na wzrost energii wiatru ma wpływ podniesiona do sześcianu jego prędkość. Powierzchnia stawiająca opór wiatrowi jest w pierwszej potędze. Jeżeli wirnik zamontujemy w przewężeniu tunelu, będzie on wirował w powietrzu przepływającym szybciej niż wiatr wiejący poza tunelem. Zatem zwiększenie prędkości wiatru daje możliwość zmniejszenia rozmiarów śmigła bez spadku wydajności urządzenia.Tunel nosi nazwę dyfuzora. A teoretyczne podstawy zjawiska wyjaśnia prawo Bernouliego i tzw. paradoks hydrodynamiczny.

Łopaty – walce

Turbozespoły poziome mogą mieć ramiona, na których zamontowano obrotowe walce. Pod wpływem wiatru ramiona się obracają. Obracają się także walce. Co daje takie skomplikowanie konstrukcji?
Turbozespoły z walcami zamiast łopat:

  • charakteryzują się niską prędkością obrotową ramion, dzięki czemu wytwarzają mniej hałasu niż turbozespoły obracające się szybko,
  • są odporne na zniszczenie przez zbyt silny wiatr. Zatrzymanie walców powoduje zaniknięcie siły ciągu i zatrzymanie wiatraka,
  • mogą wykorzystywać słabsze wiatry, począwszy już od 3 m/s.

Teoretyczne podstawy działania turbozespołów z walcami zamiast turbin wynikają z zjawiska Magnusa. Polega ono na powstawaniu siły prostopadłej do kierunku ruchu, działającej na obracający się walec lub inną bryłę obrotową, poruszającą się względem cieczy lub gazu.

Usytuowanie względem wiatru

Na tym nie koniec informacji o zjawiskach związanych z działaniem elektrowni wiatrowych. Skoro systematyzujemy pojęcia związane z budową turbozespołów poziomych, nie wolno zapominać o usytuowaniu śmigła i korpusu wiatraka względem wiatru. Stosując takie kryterium można urządzenia podzielić na:

  • up-wind – nawietrzne. Z punktu widzenia wiatru, wirnik jest umieszczony przed masztem. Jest to rozwiązanie najczęściej spotykane. Wymaga ono sztywnych łopat, i systemu nakierowywania na wiatr.
  • down-wind – zawietrzne. Z punktu widzenia wiatru, wirnik jest umieszczony za masztem. Jest to rozwiązanie rzadziej spotykane. Charakteryzuje się niższą efektywnością niż turbozespoły nawietrzne. Wirnik jest częściowo zasłonięty przez masz.

Ustawianie względem wiatru

Kierunek wiatru ulega zmianie. Za nim nadążać musi turbozespół. Odpowiedzialny za to jest układ nakierowywania. Może być on:

  • bierny – korpus turbozespołu wyposażony jest w “płetwę”. Zamontowana jest ona na przedłużeniu osi turbozespołu. Ustawia się ona, tak, aby „płetwa” stawiała najmniejszy opór wiatrowi. Jednocześnie oś obrotu turbozespołu jest prostopadła do kierunku wiatru. Rozwiązanie jest stosowane w małych, prostych turbozespołach.
  • czynny – korpus turbozespołu jest nakierowywany przez silnik sterujący tak, aby prędkość obrotowa wirnika była największa. Rozwiązanie jest stosowane dużych turbozespołach.

Tyle na temat rodzajów turbozespołów poziomych. Zanim zdecydujesz się na wybór rozwiązania, zapraszam do zapoznania się z innymi artykułami dotyczącymi OZE.