Turbiny wiatrowe MT02-2005_jak_to_dziala.pdf
(
2210 KB
)
Pobierz
19309464 UNPDF
jak to dział a
CZYM JEST WIATR?
tego, co twierdz¹ „ciemno zieloni”) oraz wp³yw wizual-
ny na otoczenie. Jednak eleganckie wirniki po³yskuj¹ce
w s³oñcu s¹ ³adniejsze od dymi¹cych kominów i wie¿
ch³odniczych.
Wiatr jest odmian¹ energii s³onecznej. Tak, to nie
pomy³ka. Jest to powietrze w ruchu, wywo³anym nie-
równomiernym podgrzaniem powierzchni Ziemi przez
s³oñce. Poniewa¿ Ziemia obraca siê, jest okr¹g³a oraz
pokryta morzami, l¹dami, lasami, pustyniami i jeziora-
mi, promieniowanie s³oneczne jest absorbowane nie-
równomiernie. To z kolei powoduje podnoszenie siê
mas powietrza znad obszarów rozgrzanych i zajmowa-
nie jego miejsca przez powietrze zimniejsze. To samo
zjawisko wystêpuje w skali planety, pomiêdzy równi-
kiem i biegunami, a wiêc wiatr jest wszêdzie.
RODZAJE
TURBIN WIATROWYCH
Obecnie wystêpuj¹ powszechnie dwa rodzaje
turbin wiatrowych: z
osi¹ poziom¹
, maj¹ce wirniki
przypominaj¹ce œmig³a lotnicze, oraz z
osi¹ pionow¹
,
wygl¹daj¹ce jak trzepaczka od miksera do bicia piany.
TURBINY WIATROWE
Marek Utkin
Turbiny z osi¹ poziom¹ s¹ stosowane najczêœ-
ciej. Stanowi¹ 95% turbin wiatrowych. Typowa turbina
wiatrowa ma wie¿ê o wysokoœci 30 - 40 metrów i dwie
lub trzy ³opaty o œrednicy 20 - 40 m. Istniej¹ tak¿e mo-
dele o jednej ³opacie z przeciwwag¹. Najwiêksze turbi-
ny wiatrowe œwiata maj¹ rozpiêtoœæ ³opat wiêksz¹ ni¿
boisko pi³karskie.
Turbiny z osi¹ pionow¹ stanowi¹ ok. 5% turbin
wiatrowych stosowanych obecnie i maj¹ zazwyczaj ok.
30 m wysokoœci i 15 m œrednicy.
ENERGIA WIATRU DZIŒ
Wspó³czesne wiatraki nosz¹ nazwê
turbin wiat-
rowych
i s¹ znacznie efektywniejsze od dawnych. Do
ich budowy wykorzystuje siê zaawansowane technolo-
gie materia³owe i aerodynamikê (dziêki wk³adowi m.in.
NASA), aby uzyskaæ jak najwiêksz¹ sprawnoœæ i dzia³a-
nie w szerokim zakresie prêdkoœci wiatru.
SprawnoϾ
elektrowni wiatrowych jest zbli¿ona
do sprawnoœci elektrowni wêglowych - ok. 30%. Zdolnoœæ
wytwórcza elektrowni wiatrowych to 25% (wiatr wieje
optymalnie), elektrowni wêglowych - 75%. Chodzi o to,
¿e na 100 dni elektrownia wiatrowa przepracowuje 25,
ze wzgledu na predkoœæ wiatru, a wêglowa 75 dni, ze
wzglêdu na przestoje w wyniku konserwacji itp. Gdy
jedna turbina wiatrowa wytwarza ok. 275 - 500 tys. kWh
energii elektrycznej rocznie, wystarcza to dla 20 domów.
W USA elektrownie wiatrowe wytwarzaj¹ 3 mld kWh
rocznie (0,12% zapotrzebowania kraju). Cena energii
z elektrowni wiatrowych wynosi 4,5 USc/kWh, z elek-
trowni wêglowych - 4 USc/kWh (wliczony koszt amorty-
zacji urz¹dzeñ). Za 30 lat elektrownie wiatrowe powinny
pokrywaæ 10% zapotrzebowania USA.
Energia wiatrowa nie powoduje zanieczyszcze-
nia wody ani powietrza. Jedynym wp³ywem na œrodo-
wisko mo¿e byæ oddzia³ywanie farm wiatrowych na
migracje ptaków (które szybko siê ucz¹, niezale¿nie od
KTÓRE LEPSZE?
Ka¿dy model ma swoje wady i zalety. Modele
z osi¹ poziom¹ wymagaj¹ kierowania wirnika na wiatr.
W ma³ych urz¹dzeniach zapewnia to statecznik kierun-
ku, w du¿ych - serwomotor, po³¹czony z procesorem
i czujnikiem kierunku wiatru. Turbiny pionowe dzia³aj¹
niezale¿nie od kierunku wiatru, poza tym to, i¿ s¹ in-
stalowane na ziemi, sprawia, ¿e ich konserwacja i ob-
s³uga jest prostsza i tañsza.
Turbiny wiatrowe s¹ ³¹czone w zespo³y, zwane
farmami wiatrowymi
, które zapewniaj¹ odpowiednio
du¿¹ moc, ¿eby kierowaæ pr¹d do sieci. U¿ytkownicy
indywidualni stosuj¹ raczej maszyny pojedyncze.
TURBINY WIATROWE
Z OSI¥ POZIOM¥
(HORIZONTAL AXIS WIND TURBINES, HAWT)
FARMA WIATROWA
Wiatrak farmerski
Amerykañski wiatrak farmerski jest dobrym
przyk³adem turbiny wiatrowej o niskiej prêdkoœci obro-
towej i wysokim momencie. Mo¿e ³atwo siê ustawiaæ
do kierunku wiatru, poza tym dzia³a przy s³abych wiat-
rach i jest niezawodny. By³ stosowany przez amerykañ-
skich farmerów, a obecnie - jest ustawiany w wielu
krajach œwiata.
26
Turbiny wspó³czesne
Wspó³czesne turbiny
wiatrowe z osi¹ poziom¹ wys-
têpuj¹ w kilku odmianach. Ba-
dania amerykañskie prowa-
dzone w latach 1973 - 1981
(zamkniête przez administrac-
jê Reagana) nad modelami:
1-2 kW o wysokiej niezawod-
noœci, 4 kW dla ma³ych bu-
dynków, 8 i 15 kW dla domów
i us³ug oraz 40 kW dla przed-
siêbiorstw i rolnictwa, da³y
w wyniku dostêpne komercyj-
nie ma³e turbiny 1, 3 i 6 kW
oraz trzy³opatowe maszyny
40 - 60 kW, instalowane setka-
mi w farmach wiatrowych.
TURBINA WIATROWA
Z OSI¥ POZIOM¥
³opata
kierunek wiatru
SprawnoϾ to:
a) zdolnoœæ wytwórcza
b) op³yw turbulentny
c) si³a noœna
wirnik
nastawny skok
wa³ niskoobrotowy
przek³adnia
generator
urz¹dzenie steruj¹ce
anemometr
Konstrukcja
Œmig³o wraz z gondol¹
generatora jest osadzone na
20 - 40-metrowej wie¿y. Ze
wzglêdów zarówno aerodyna-
micznych, jak i ³atwoœci kon-
serwacji, o estetyce nie wspo-
minaj¹c, zrezygnowano z wie¿
kratownicowych na rzecz ruro-
wych. Wspó³czesne wie¿e nie
wymagaj¹ stosowania odci¹-
gów i ziemia wokó³ nich jest
pe³nowartoœciowym terenem
rolniczym, ewentualnie mo¿-
na je instalowaæ na sztucz-
nych groblach na morzu.
Turbina ma œred-
nicê zbli¿on¹ do wy-
sokoœci wie¿y.
W piaœcie s¹ osa-
dzone trzy (lub
dwie) aerodynamicz-
nie ukszta³towane ³opaty, któ-
rych k¹t nastawienia regulo-
wany jest przez mikroprocesor,
w zale¿noœci od prêdkoœci
wiatru. £opaty mog¹ ustawiaæ
siê tak, ¿eby optymalnie wyko-
rzystywaæ wiatr, lub - w razie
huraganu - „w chor¹giewkê”,
aby zbyt szybko wiej¹cy wiatr
nie uszkodzi³ urz¹dzenia.
Piasta turbiny jest mon-
towana na przegubie wahli-
wym, aby ewentualne wibracje
nie uszkadza³y ³o¿ysk i wa³u.
Ko³pak, przykrywaj¹cy
piastê, przechodzi p³ynnie
w gondolê. W gondoli mieœci
siê wa³ niskoobrotowy, napê-
dzany bezpoœrednio przez pias-
tê turbiny, przek³adnia podwy¿-
szaj¹ca obroty i generator,
wytwarzaj¹cy pr¹d. Pr¹d p³y-
wiatrowskaz
hamulec
obudowa
napêd ustawienia kierunku
wa³ wysokoobrotowy
silnik ustawienia kierunku
wie¿a
Generator:
Zazwyczaj typowy ge-
nerator indukcyjny.
Wał wysokoobrotowy:
Napędza
generator.
Wał niskoobrotowy:
Wirnik obraca
wał niskoobrotowy.
Obudowa:
Stożek wirnika styka się
z gondolą, umieszczoną na czubku
wieży. W gondoli znajduje się prze-
kładnia, wały, generator, sterownik
i hamulec. Niektìre gondole są tak
duże, że technik może w środku stać.
Skok:
Łopaty wirnika zmieniają skok,
czyli ustawienie względem wiatru, za-
pewniając optymalną pracę lub usta-
wiają się z wiatrem (w chorągiewkę),
gdy jest zbyt silny.
Wirnik:
Zespìł łopat i piasty.
Wieża:
Wysokość - 20 - 40 metrìw. Im
wyższa wieża, tym mocniejszy wiatr.
Wiatrowskaz:
Wyznacza kierunek
wiatru i komunikuje się z napędem us-
tawienia kierunku, aby właściwie usta-
wić turbinę względem wiatru.
Napęd ustawienia kierunku:
Usta-
wia turbinę frontem do wiatru.
Silnik ustawienia kierun-
ku:
Napędza przekład-
nię ustawienia kie-
runku.
Anemometr:
Mierzy prędkość
wiatru i przekazuje dane o niej do
sterownika.
Łopaty:
Większość turbin ma dwie
lub trzy łopaty.
Hamulec:
Hamulec tarczowy, ktìry
może być sterowany mechanicznie,
elektrycznie lub hydraulicznie, aby
zatrzymywać wirnik w razie koniecz-
ności.
Sterownik:
Sterownik pozwala na
rozpoczęcie pracy maszyny przy
prędkościach od ok. 12 km/h, a wy-
łącza ją przy ponad 100 km/h. Turbi-
ny nie mogą pracować przy wiatrach
powyżej 100 km/h z powodu wibracji
oraz możliwości przegrzania genera-
tora.
Przekładnia:
Przekładnia łączy wał
wolnoobrotowy z wałem szybkoob-
rotowym i zwiększa prędkość obro-
tową z ok. 30 - 60 obr./min do
1200 - 1500 obr./min. Przek-
ładnia jest elementem
drogim i prowadzi się
prace nad napędem
bezpośrednim.
27
jak to dział a
TURBINY WIATROWE
O OSI PIONOWEJ
(VERTICAL AXIS TURBINES, VAWT)
obudowa przek³adni
wiatraka obracana
wzglêdem wie¿y
Turbiny wiatrowe o osi pionowej dziel¹ siê na
dwie podstawowe kategorie:
Savoniusa
i
Darrieus
. ¯a-
den z tych typów nie jest obecnie szeroko stosowany.
Turbiny wiatrowe o osi pionowej s¹ dwóch ro-
dzajów: dzia³aj¹ce w oparciu o si³ê noœn¹ i o opór. Mo-
dele oporowe dzia³aj¹ jak wios³o kajaka w wodzie: jeœli
(teoretycznie) przyj¹æ, ¿e wios³o zanurzone w wodzie
porusza siê bez poœlizgu, wtedy prêdkoœæ maksymalna
kajaka bêdzie równa prêdkoœci przesuwania wios³a. To
samo mo¿na powiedzieæ o wietrze. Trzyczarkowe ane-
mometry, stosowane do pomiaru prêdkoœci wiatru, to
turbiny typu oporowego o osi piono-
wej. Jeœli prêdkoœæ czarek jest dok-
³adnie równa prêdkoœci wiatru, urz¹-
dzenie dzia³a ze wspó³czynnikiem
prêdkoœci koñcówek (tip speed ratio,
TSR) równym 1. Przy TSR powy¿ej 1
w grê musi wchodziæ si³a noœna.
Urz¹dzenia dzia³aj¹ce w oparciu o
si-
³ê noœn¹
maj¹ wy¿sz¹ sprawnoœæ.
Turbina Savoniusa
SCHEMAT AMERYKAÑSKIEGO
WIATRAKA „FARMERSKIEGO”
Model do pompowania wody.
Widoczne wykorbienie, korbowód i popychacz.
Pod lupą
Czy elektrownie wiatrowe wyt-
warzają prąd o napięciu
230V i częstotliwości 50Hz?
nie kablami umieszczonymi w wie¿y do
transformatora, który zasila sieæ lokaln¹.
Ka¿da z turbin w sieci lokalnej jest
sterowana w³asnym mikroprocesorem
i po³¹czona z komputerem centralnym,
który koordynuje ich pracê.
Przy projektowaniu i budowie tur-
bin wiatrowych nale¿y wzi¹æ pod uwagê
wiele czynników, jak np. wibracje, bêd¹ce
wynikiem przecinania obszaru
op³ywu
turbulentnego
za wie¿¹ (w przypadku
turbin pracuj¹cych „z wiatrem”, nie „pod
wiatr”) przez ³opaty. Np. w 1974 r., naœla-
duj¹c sukces amerykañskiego programu
kosmicznego dziêki zaawansowanym pro-
jektom niemieckim, in¿ynierowie NASA
zatrudnieni przy projektowaniu turbin
wiatrowych zapo¿yczyli plany Ulricha
Huttera. Zastosowawszy w turbinie MOD-
0 konfiguracjê „z wiatrem” (samonastaw-
na turbina pracuj¹ca za wie¿¹), nie zau-
wa¿yli w planach przegubu wahliwego
zastosowanego w piaœcie. Ludzie z NASA
byli zdumieni zarówno ogromnymi naprê-
¿eniami dynamicznymi, powstaj¹cymi
w piaœcie w momencie, gdy ³opata wcho-
dzi³a w cieñ wie¿y, jak i krótkim ¿yciem
³o¿ysk. 2-megawatowa turbina MOD-1
z kolei wytwarza³a nieprzewidziane
dŸwiêki niskiej czêstotliwoœci, które rezo-
nowa³y we wszystkich domach na wzgó-
rzach i w dolinach wokó³ generatora.
Dopiero MOD-2 by³ modelem zap-
rojektowanym wy³¹cznie przez NASA,
a jego nastêpc¹ jest 3,2-megawatowy
MOD-5B, ponadstumetrowy bestia, dzia-
³aj¹cy od 1997 r. do dziœ na wyspie Oahu
na Hawajach.
Niekoniecznie. Elektrownie
niepodłączone do ogìlnokrajo-
wej sieci są najczęściej wyposa-
żone w skomplikowany system
do gromadzenia i stabilizowania
energii w lokalnej sieci. Wiatrak
napędza prądnicę prądu stałego.
Ponieważ może się obracać
zrìżną prędkością pod wpływem
rìżnej prędkości wiatru, wytwa-
rzane przez prądnicę napięcie
jest stabilizowane za pomocą re-
gulatorìw napięcia i przesyłane
do zespołu akumulatorìw. Dopie-
ro pobrany z akumulatorìw prąd
stały jest zamieniany na prąd
zmienny (230V 50Hz) w urzą-
dzeniach zwanych falownikami.
Ale takiej energii nie można dos-
tarczać do sieci ogìlnokrajowej.
Można za to zasilać w ten spo-
sìb np. stojące w pobliżu elek-
trowni budynki.
W elektrowniach lub farmach
wiatrowych pracujących na pot-
rzeby energetyki zawodowej naj-
częściej wykorzystywany jest ge-
nerator prądu zmiennego. Taki
wiatrak kręci się z ustaloną pręd-
kością obrotową, tak aby genera-
tor wytwarzał prąd zmienny
oczęstotliwości 50Hz. O stałą
prędkość obrotową wiatraka dba
układ regulacyjny, ktìry zmienia
między innymi kąt nastawienia ło-
pat wirnika. Takie elektrownie
wytwarzają napięcie 15kV lub
110kV, a więc takie, jakie panuje
w liniach przesyłowych.
Wynaleziona w Finlandii turbi-
na Savoniusa w widoku z góry przy-
pomina literê S. Jest to turbina typu
oporowego i obraca siê relatywnie
powoli, lecz generuje spory moment
obrotowy. Ma³e turbinki Savoniusa
znajdowa³y siê kiedyœ na dachach
wagonów kolejowych i napêdza³y
wentylacjê, stosuje siê je do mielenia
ziarna, pompowania wody itp., lecz
ze wzglêdu na prêdkoœæ obrotow¹
poni¿ej 1000 obr./min nie s¹ najlep-
sze do wytwarzania pr¹du, gdy¿ wy-
magaj¹ przek³adni, co z kolei utrud-
nia rozruch.
Model Savoniusa ma liczne za-
lety - mo¿na go bardzo ³atwo wykonaæ
we w³asnym zakresie, stosuj¹c jako
materia³ puszki, rury lub butelki plas-
tikowe, wiadra lub beczki na ropê.
28
Turbiny Darrieus
Turbina Darrieus zosta³a opa-
tentowana we Francji w 1927 r. Jej
autorem by³ Georges Jean-Marie Dar-
rieus, który opatentowa³ w zasadzie
dwie turbiny - najpopularniejszy
obecnie typ, tzw. trzepaczkê do piany
z zagiêtymi ³opatami, oraz tzw.Giro-
mill, czyli turbinê typu „H” z prostymi
³opatami, która mia³a byæ równie¿
stosowana w hydroenergetyce.
Turbina z ³opatami prostymi
jest jakby odwróceniem pêdnika Voit-
UE nakł ada na Polskę obowią zek szybkiej rozbudowy energetyki
korzystają cej z odnawialnych ź rìdeł energii, w tym z wiatru.
SCHEMAT
TURBINY SAVONIUSA
ny dziêki sile noœnej, prêdkoœæ ³opaty mo¿e byæ wiêk-
sza, ni¿ prêdkoœæ wiatru.
Najpopularniejsze (szczególnie du¿e) turbiny Dar-
rieus maj¹ ³opaty w kszta³cie „troposkein” (z Greki -
„obracaj¹cej siê liny”), czyli takim, jaki przybiera ska-
kanka. Po zastosowaniu w³ókna szklanego (przeci¹gane
z aluminium by³y drogie), kszta³t zosta³ nieco zmieniony.
Ka¿da z ³opat turbiny Darrieus wytwarza maksy-
malny „ci¹g” (moment) jedynie dwa razy na obrót. Mo-
ment obrotowy ma wiêc charakter sinusoidalny (tak,
jak przy peda³owaniu na rowerze). D³ugie ³opaty turbin
z osi¹ pionow¹ maj¹ wiele naturalnych czêstotliwoœci
drgañ, których nale¿y unikaæ podczas pracy. Np. jedna
z dwu³opatowych turbin o mocy 500 kW, mia³a takie
trzy prêdkoœci obrotowe, które trzeba by³o szybko
przejœæ, aby dojœæ do prêdkoœci operacyjnej i kilka
w zakresie operacyjnym, których trzeba by³o unikaæ.
Dobrze zaprojektowana turbina z osi¹ poziom¹ nie po-
woduje takich problemów.
Turbiny pionowe trudno jest instalowaæ na wie-
¿ach, w zwi¹zku z tym zazwyczaj instalowane s¹ ni¿ej,
w obszarze turbulentnym i dzia³aj¹ w trudniejszych
warunkach. Aby turbina sta³a pionowo, stosuje siê od-
ci¹gi. Wywieraj¹ one du¿y nacisk na g³ówne ³o¿yska
turbiny.
Firma Sandia Laboratories zbudowa³a 42-metro-
wy prototyp o œrednicy 34 m i mocy 625 kW do badañ
w Agricultural Research Station w Amarillo w Texasie.
Turbina wiatrowa „Eole” na Cap-Chat, Quebec
w Kanadzie, jest najwiêkszym obecnie przyk³adem
„trzepaczki do piany” - ma oko³o 100 m wysokoœci i 60
m œrednicy. Jej moc to 4MW, lecz pracuje w ni¿szym
zakresie prêdkoœci, daj¹c ok. 2,5 MW.
Na rynku ma³ych turbin wiatrowych, modele
Darrieus z prostymi ³opatami s¹ tañsze, ni¿ „trzepaczki
do piany”. Obecnie dostêpna w handlu jest ma³a turbi-
na Solwind z Nowej Zelandii, zaopatrzona w proste ³o-
paty. Ma 3 m œrednicy i 2,5 m wysokoœci.
Obecnie w Kanadzie prowadzone s¹ prace nad
turbinami Darrieus do montowania na wie¿owcach,
w celu dodatkowego zaopatrywania biur w pr¹d (wy-
nik ostatnich awarii sieci energetycznych).
SCHEMAT TURBINY DARRIEUS
Z PROSTYMI £OPATAMI
ha-Schneidera (p. MT 10/2004), tak jak wiatrak jest od-
wróceniem œmig³a.
W obu modelach moment na ³opacie, a w rezul-
tacie - ruch, jest efektem powstawania si³y noœnej na
zestawie profili aerodynamicznych, op³ywanych przez
wiatr. Przez to, ¿e wirnik turbiny Darrieus jest napêdza-
pokrywa
³o¿ysko górne wirnika
odci¹g
³opata
piasta wirnika
LEKSYKON
Sprawność
to miara zdolności urządzenia, organizmu lub
procesu do przekształcania jednej postaci energii w inną.
Wrażana jest w jednostkach bezwzględnych, lub procen-
tach. Z zasady zachowania energii wynika, że sprawność
dla dowolnej formy energii użytecznej nie może być więk-
sza od jedności (czyli 100%). Patrząc na to inaczej: suma
sprawności dla rìżnych form energii wyjściowej musi być
rìwna jedności.
Siła nośna
siła aerodynamiczna zwrìcona przeciwnie do
siły grawitacji, pozwalająca na wznoszenie obiektìw, ich lot.
Powstaje w wyniku przepływu powietrza wokìł odpowied-
nio ukształtowanego płata, co powoduje wystąpienie rìżni-
cy ciśnień po obu jego stronach.
Opływ turbulentny
(
burzliwy
) - występuje gdy przedmiot
jest opływany nieuporządkowanym strumieniem powietrza
lub cieczy. Występuje samorzutnie przy dużych prędko-
ścich lub za zakłucajacymi przepływ przedmiotami.
Ustawienie w chorągiewkę
siła aerodynamiczna zwrì-
cona przeciwnie do siły grawitacji, pozwalająca na wzno-
szenie obiektìw, ich lot. Powstaje w wyniku przepływu po-
wietrza wokìł odpowiednio ukształtowanego płata, co po-
woduje wystąpienie rìżnicy ciśnień po obu jego stronach.
zastrza³
wirnik
oœ uk³adu
wsparcie ³o¿yska wirnika
sprzêg³o elastyczne
tarcza hamulca mechanicznego
29
konstrukcja noœna
generator
fundament
Plik z chomika:
ulia.meow
Inne pliki z tego folderu:
własna elektrownia wiatrowa(1).pdf
(927 KB)
MIKROELEKTROWNIA WODNA.doc
(483 KB)
Elektrownie Wiatrowe - Dariusz Szymański.pdf
(123 KB)
WOLNOOBROTOWY GENERATOR TARCZOWY.pdf
(919 KB)
Ogniwa fotoelektryczne z miedzi.JPG
(161 KB)
Inne foldery tego chomika:
Akwarystyka
Budujemy dom
Dla pilotów wycieczek (a także przewodniki)
Komputer w biurze
Komunikacja międzyludzka
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin