Elektrownia wiatrowaNajważniejszym elementem elektrowni wiatrowej jest turbina wiatrowa. Turbina to w praktyce łopatki zamocowane na piaście wirnika.

W zależności od konstrukcji wyróżnia się kilka rodzajów turbin, które mogą występować również w kombinacjach połączonych z kilku odmian.

Wszystkie elektrownie wiatrowe pracują dzięki rotacji wirnika poruszanego siłą wiatru. Podstawowe różnice to położenie osi wirnika i budowa rotora. W większości wypadków występują elektrownie o poziomej osi obrotu Y-type.

Są to proste konstrukcje udoskonalane od wielu lat. Dzięki doświadczeniu wielu pokoleń, podobnie jak np. młotek, doczekały się optymalnych kształtów i proporcji. Ze względu na stosunek kosztów do wydajności na fermach wiatrowych praktycznie nie stosuje się innych turbin.

Od pewnego czasu część producentów rozwija i stara się forsować zastosowanie elektrowni o pionowej osi obrotu. Występuje naprawdę sporo różnych rozwiązań: Darrieusa, typu H, Savoniusa, świderkowe, bębnowe, tornado i wiele innych mieszanych odmian. Niestety do tej pory nikomu nie udało się skonstruować turbiny o pionowej osi obrotu (H-type, M-type), która przy podobnych gabarytach i wadze produktu była by w stanie konkurować z rozwiązaniami klasycznymi, z poziomą osią obrotu. Tym niemniej wciąż trwają prace zmierzające do poprawienia efektywności turbin pionowych. Nie należy się jednak spodziewać większych zmian ponieważ nie da się „przeskoczyć” praw fizyki. Żadne urządzenia po prostu nie mogą osiągnąć sprawności przekraczającej 100%. W praktyce biorąc pod uwagę straty jakie powstają w związku z oporami powietrza oraz straty mechaniczne ruchu wirnika opartego na łożyskach przyjmuje się w ogóle sprawność możliwą do osiągnięcia samej turbiny maksymalnie na poziomie 80%.

Elektrownia wiatrowaNiestety sprawność turbin o pionowej osi obrotu jest na zdecydowanie niższym poziomie sięgającym maksymalnie 40%.Wynika to z faktu, że  kiedy jedna łopatka wirnika jest przez wiatr pchana to przeciwnie umocowana łopata pracuje „pod wiatr”. Oczywiście można stosować osłony łopaty powracającej tak, żeby wiatr bezpośrednio na nią nie „dmuchał” (dyfuzor czy konfuzor), ale nawet wówczas nie jest to część wirnika pracująca, a  co najwyżej można przyjąć, że ma znikomy wpływ na hamowanie pracy wirnika. W końcu pracuje ona w powietrzu i sam jej ruch w tym czynniku, wywołuje tarcie.

Turbiny o poziomej osi obrotu mają sprawność na poziomie do 75%. Więcej też raczej nie można będzie osiągnąć, ponieważ łopaty pracują pod kątem prostym do wiatru i obracając się wokół osi tną powietrze stawiając opór. Na szczęście przy małej sile wiatru z uwagi na gęstość czynnika jakim jest powietrze ten opór jest pomijalny a okazuje się pomocny w czasie silnych wiatrów (przyhamowuje nieco elektrownię).

Sprawność turbiny wiatrowej to jest ilość energii wiatru jaką można zamienić na energię kinetyczną ruchu wirnika (nie na energię elektryczną – to by była sprawność elektrowni wiatrowej). Żeby prawidłowo porównać ze sobą różne turbiny wiatrowe powinno się brać pod uwagę pole powierzchni jaką zajmują ich wirniki podczas pracy. W praktyce dla turbiny poziomej będzie to powierzchnia określona przez pole zakreślane przez łopatkę, czyli obszar to liczba  pomnożona przez promień wirnika do kwadratu.

Dla przykładu turbina wiatrowa o długości łopatki 1,35m (mniej więcej odpowiednik elektrowni wiatrowej mocy znamionowej 1kW przy 10m/s) będzie miała pole powierzchni = *1,35^2.Czyli to około 5,7m2. Dla turbiny o pionowej osi obrotu pole powierzchni wylicza się jako iloczyn wysokości łopatki i średnicy wirnika. Np. dla turbiny o wysokości łopatki 1,12m i średnicy wirnika 2m (odpowiada to elektrowni wiatrowej o mocy znamionowej 0,5kW przy 12m/s) powierzchnia wynosi 2,44m2.

W powyższych wyliczeniach pojawił się jeszcze jeden czynnik – prędkość wiatru. Elektrownia wiatrowa osiąga (podobnie jak np. silnik spalinowy w samochodzie) swoją optymalną wydajność przy jakiejś konkretnej prędkości obrotowej, a tą z kolei osiąga przy konkretnej prędkości wiatru.

Energia jaką niesie ze sobą wiatr jest w trzeciej potędze prędkości. Mniej więcej oznacza to, że z każdym m/s energia rośnie trzykrotnie. W praktyce dla np. 2m/s mamy energię równą 2^3 = 2*2*2=8 jednostek mocy a już przy wietrze o prędkości 3m/s mamy 3^3 = 3*3*3=27 jednostek mocy. Dlatego niezwykle istotnym elementem wydajności turbiny jest siła wiatru potrzebna do optymalnej pracy turbiny.

Do pobrania: Siła wiatru (PDF 51kB)

W Polskich warunkach średnia prędkość wiatru często nie przekracza 5m/s a nigdy nie osiąga 8m/s. Dlatego turbiny, które osiągają moc znamionową powyżej 10m/s w praktyce w większości czasu pracują w nieoptymalnych warunkach i nie mogą dawać oczekiwanych rezultatów. Niestety często producenci świadomie podają zaniżoną wartość lub pomijają ten element wprowadzając klientów w błąd. Wynika to z faktu, że niezwykle trudno jest wyprodukować tanio turbinę pracującą optymalne przy prędkości wiatru w okolicy 8m/s (jak przedstawiłem wcześniej energia jaką niesie wiatr jest w trzeciej potędze czyli dla 8m/s to 512 jednostek a przy 12m/s to już  1728 jednostek), zapewniając jednocześnie, że przy silnym wietrze elektrownia po prostu się nie rozleci. Prędkość wiatru zależy od czynnika jakim jest tzw. szorstkość powierzchni. Dlatego na niskich wysokościach wiatr wiele zwykle słabiej niż wysoko nad poziomem gruntu.

Dla każdego oczywistym jest fakt, że przeszkody przed elektrownią wiatrową (od strony kierunku wiatru) zakłócają jej pracę. Również przeszkody za elektrownią wiatrową i przeszkody boczne zakłócają ruch powietrza. Widać to na poniższych rysunkach.

Przeszkody wpływajace na prawidłowe działanie elektrowni wiatrowej

Dla celów praktycznych przyjmuje się jako wskaźnik oporu wiatru dla przeszkód, tzw. szorstkość terenu.

W praktyce wiatr odczuwany przez osoby stojące na ziemi nie ma bezpośredniego odzwierciedlenia w wietrze napędzającym elektrownię wiatrową na wysokości kilku, kilkunastu metrów. Dla elektrowni liczą się tzw. prądy powietrzne. Często obserwowanym zjawiskiem jest sytuacja kiedy odczuwa się wiatr wiejący z jednego kierunku a w górze widać chmury poruszające się "pod wiatr". Wynika to właśnie z faktu występowania stref wiatru na różnych wysokościach. Dlatego mogą występować takie sytuacje kiedy wiatr (szczególnie porywy) są dość silne (odczuwalne) na małej wysokości a na większej wysokości (zamontowania wirnika) wiatr wieje słabiej lub mocniej.

Do pobrania: Szorstkość powierzchni (PDF 47kB)

W przypadku montażu turbiny w pobliżu obiektów w znaczącej wysokości trzeba wziąć pod uwagę mniejszą prędkość wiatru spowodowaną zawirowaniami.

Ostatnim elementem zmiennym przy projektowaniu turbin wiatrowych jest gęstość powietrza. Im większa tym energia wiatru większa. Np. woda ma większą gęstość od wiatru dlatego niesie ze sobą większą energię w tej samej jednostce objętości. Zimne powietrze ma większą gęstość a ciepłe mniejszą. Dlatego zimą nieco więcej energii można uzyskać z wiatru. Podobnie nad poziomem morza jest największa gęstość powietrza a w górach mniejsza, jednak te zmiany gęstości nie są na tyle duże żeby miały istotne znaczenie dla obliczeń. W górach powietrze o mniejszej gęstości jest zwykle zimniejsze więc się wyrównuje z gęstością na nizinach. Natomiast nad wodą powietrze zawiera zwykle większą wilgotność i dzięki temu jest nieco gęściejsze. Dlatego m-in. tak opłacalne jest stawianie ferm wiatrowych na morzu.

Do pobrania: Gęstość powietrza na poziomie morza w zależności od temperatury (PDF 41kB)

Jak widać różnice są dość znaczące, ale dla uproszczenia przyjmiemy gęstość ro na poziomie 0,12. Stąd już blisko do wyliczenia energii jaką może przekazać wiatr na turbinę wiatrową. Będzie to dokładnie iloczyn powierzchni łopat, prędkości wiatru, sprawności turbiny i współczynnika gęstości wiatru. Dla wcześniej podanego przykładu (elektrownia pozioma 1kW) 5,7m2*10^3*0,7*0,12=1000W

Generator elektrowni wiatrowej to urządzenie, które energię kinetyczną ruchu obrotowego wirnika zamienia na energię elektryczną. Optymalnie dobrany generator do turbiny wiatrowej  będzie umożliwiał łagodny rozruch turbinie przy słabym wietrze (zbyt duży generator o dużej masie nie pozwoli przy słabym wietrze na rozkręcenie wirnika). Możliwie przy małych obrotach powinien osiągać napięcie umożliwiające np. ładowanie  akumulatorów. Przy optymalnej prędkości obrotowej turbiny generator taki powinien wytwarzać znamionowe napięcie. Przy silnym wietrze generator powinien pracować nie ulegając uszkodzeniu. Powinien być odporny na przegrzanie a uzwojenia muszą wytrzymać bardzo duży prąd w nich płynący. Generator też ma swoją sprawność. Występują generatory synchroniczne (prądnice) i asynchroniczne (alternatory). Sprawność generatorów też wpływa na ilość energii elektrycznej jaką można otrzymać z ruchu wirnika.

Kolejnym elementem wpływającym na ilość energii jaka uzyskamy na końcu są straty przesyłowe. Im prąd większy (niższe napięcie) tym straty będą większe. Część energii też upływa jeżeli ładujemy akumulatory. Sprawność akumulatorów zwykle jest na poziomie 80-90% a oznacza to, że dostarczając do akumulatora 10kWh energii możemy odebrać najwyżej 8-9kWh. Dodatkowo zamieniając napięcie z niskiego (na akumulatorach) na użytkowe 230V również występują większe straty wtedy, kiedy różnica między napięciami jest większa.

Ostatecznie decydując się na elektrownię wiatrowa trzeba mieć świadomość faktu, że wiatr nie wieje zawsze a ponadto moc jaka deklaruje producent elektrowni to z całą pewnością nie jest taka ilość energii jaką można dowolnie gospodarować 24h/dobę.

Skontaktuj sie z nami!

OZE Technik
Żórawie 10a, 74-100 Gryfino
tel.: +48 602 148 637, +48 91 418 13 49, e-mail: biuro@ozetechnik.pl

SERWIS TECHNICZNY
tel.: +48 602 148 637, e-mail: serwis@ozetechnik.pl

zestawy fotowoltaiczne szczecin

Zapraszamy do kontaktu
z naszymi przedstawicielami na terenie kraju

Dane teleadresowe przedstawicieli

Partnerzy