osi¹ poziom¹ osi¹ pionow¹ TURBINY WIATROWE · jedna turbina wiatrowa wytwarza ok. 275 - 500 tys. kWh energii elektrycznej rocznie, wystarcza to dla 20 domów. WUSA elektrownie

C Z Y M J E S T W I A T R ?Wiatr jest odmian¹ energii s³onecznej. Tak, to nie

pomy³ka. Jest to powietrze w ruchu, wywo³anym nie-równomiernym podgrzaniem powierzchni Ziemi przezs³oñce. Poniewa¿ Ziemia obraca siê, jest okr¹g³a orazpokryta morzami, l¹dami, lasami, pustyniami i jeziora-mi, promieniowanie s³oneczne jest absorbowane nie-równomiernie. To z kolei powoduje podnoszenie siêmas powietrza znad obszarów rozgrzanych i zajmowa-nie jego miejsca przez powietrze zimniejsze. To samozjawisko wystêpuje w skali planety, pomiêdzy równi-kiem i biegunami, a wiêc wiatr jest wszêdzie.

E N E R G I A W I A T R U D Z I ŒWspó³czesne wiatraki nosz¹ nazwê turbin wiat-

rowych i s¹ znacznie efektywniejsze od dawnych. Doich 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.

Sprawnoœæ elektrowni wiatrowych jest zbli¿onado sprawnoœci elektrowni wêglowych - ok. 30%. Zdolnoœæwytwórcza elektrowni wiatrowych to 25% (wiatr wiejeoptymalnie), elektrowni wêglowych - 75%. Chodzi o to,¿e na 100 dni elektrownia wiatrowa przepracowuje 25,ze wzgledu na predkoœæ wiatru, a wêglowa 75 dni, zewzglêdu na przestoje w wyniku konserwacji itp. Gdyjedna turbina wiatrowa wytwarza ok. 275 - 500 tys. kWhenergii elektrycznej rocznie, wystarcza to dla 20 domów.W USA elektrownie wiatrowe wytwarzaj¹ 3 mld kWhrocznie (0,12% zapotrzebowania kraju). Cena energiiz elektrowni wiatrowych wynosi 4,5 USc/kWh, z elek-trowni wêglowych - 4 USc/kWh (wliczony koszt amorty-zacji urz¹dzeñ). Za 30 lat elektrownie wiatrowe powinnypokrywaæ 10% zapotrzebowania USA.

Energia wiatrowa nie powoduje zanieczyszcze-nia wody ani powietrza. Jedynym wp³ywem na œrodo-wisko mo¿e byæ oddzia³ywanie farm wiatrowych namigracje ptaków (które szybko siê ucz¹, niezale¿nie od

tego, co twierdz¹ „ciemno zieloni”) oraz wp³yw wizual-ny na otoczenie. Jednak eleganckie wirniki po³yskuj¹cew s³oñcu s¹ ³adniejsze od dymi¹cych kominów i wie¿ch³odniczych.

R O D Z A J E T U R B I N W I A T R O W Y C H

Obecnie wystêpuj¹ powszechnie dwa rodzajeturbin wiatrowych: z osi¹ poziom¹, maj¹ce wirnikiprzypominaj¹ce œmig³a lotnicze, oraz z osi¹ pionow¹,wygl¹daj¹ce jak trzepaczka od miksera do bicia piany.

Turbiny z osi¹ poziom¹ s¹ stosowane najczêœ-ciej. Stanowi¹ 95% turbin wiatrowych. Typowa turbinawiatrowa ma wie¿ê o wysokoœci 30 - 40 metrów i dwielub 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% turbinwiatrowych stosowanych obecnie i maj¹ zazwyczaj ok.30 m wysokoœci i 15 m œrednicy.

K T Ó R E L E P S Z E ?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 procesoremi czujnikiem kierunku wiatru. Turbiny pionowe dzia³aj¹niezale¿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, zwanefarmami wiatrowymi, które zapewniaj¹ odpowiedniodu¿¹ moc, ¿eby kierowaæ pr¹d do sieci. U¿ytkownicyindywidualni stosuj¹ raczej maszyny pojedyncze.

T U R B I N Y W I A T R O W EZ O S I ¥ P O Z I O M ¥(HORIZONTAL AX IS WIND TURBINES , HAWT)

Wiatrak farmerskiAmerykañski wiatrak farmerski jest dobrym

przyk³adem turbiny wiatrowej o niskiej prêdkoœci obro-towej i wysokim momencie. Mo¿e ³atwo siê ustawiaædo kierunku wiatru, poza tym dzia³a przy s³abych wiat-rach i jest niezawodny. By³ stosowany przez amerykañ-skich farmerów, a obecnie - jest ustawiany w wielukrajach œwiata.

j a k t o d z i a ł a

TURBINY WIATROWEM a r e k U t k i n

F A R M A W I A T R O W A

MŁODY

TECHNIK

2/2005

2266

Anemometr: Mierzy prędkośćwiatru i przekazuje dane o niej dosterownika.Łopaty: Większość turbin ma dwielub trzy łopaty. Hamulec: Hamulec tarczowy, którymoże być sterowany mechanicznie,elektrycznie lub hydraulicznie, abyzatrzymywać wirnik w razie koniecz-ności.Sterownik: Sterownik pozwala narozpoczęcie pracy maszyny przyprędkościach od ok. 12 km/h, a wy-łącza ją przy ponad 100 km/h. Turbi-ny nie mogą pracować przy wiatrachpowyżej 100 km/h z powodu wibracjioraz możliwości przegrzania genera-tora.Przekładnia: Przekładnia łączy wałwolnoobrotowy z wałem szybkoob-rotowym i zwiększa prędkość obro-tową z ok. 30 - 60 obr./min do1200 - 1500 obr./min. Przek-ładnia jest elementemdrogim i prowadzi sięprace nad napędembezpośrednim.

Generator: Zazwyczaj typowy ge-nerator indukcyjny.Wał wysokoobrotowy: Napędzagenerator.Wał niskoobrotowy: Wirnik obracawał niskoobrotowy. Obudowa: Stożek wirnika styka sięz gondolą, umieszczoną na czubkuwieży. W gondoli znajduje się prze-kładnia, wały, generator, sterowniki hamulec. Niektóre gondole są takduże, 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: Zespół łopat i piasty.Wieża: Wysokość - 20 - 40 metrów. Imwyższa wieża, tym mocniejszy wiatr.Wiatrowskaz: Wyznacza kierunekwiatru 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.

Turbiny wspó³czesneWspó³czesne 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 domówi us³ug oraz 40 kW dla przed-siêbiorstw i rolnictwa, da³yw wyniku dostêpne komercyj-nie ma³e turbiny 1, 3 i 6 kWoraz trzy³opatowe maszyny 40 - 60 kW, instalowane setka-mi w farmach wiatrowych.

KonstrukcjaŒmig³o wraz z gondol¹

generatora jest osadzone na20 - 40-metrowej wie¿y. Zewzglêdów zarówno aerodyna-micznych, jak i ³atwoœci kon-serwacji, o estetyce nie wspo-minaj¹c, zrezygnowano z wie¿kratownicowych na rzecz ruro-wych. Wspó³czesne wie¿e niewymagaj¹ stosowania odci¹-gów i ziemia wokó³ nich jestpe³nowartoœciowym terenemrolniczym, 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 (lubdwie) aerodynamicz-nie ukszta³towane ³opaty, któ-rych k¹t nastawienia regulo-wany jest przez mikroprocesor,w zale¿noœci od prêdkoœciwiatru. £opaty mog¹ ustawiaæsiê tak, ¿eby optymalnie wyko-rzystywaæ wiatr, lub - w raziehuraganu - „w chor¹giewkê”,aby zbyt szybko wiej¹cy wiatrnie uszkodzi³ urz¹dzenia.

Piasta turbiny jest mon-towana na przegubie wahli-wym, aby ewentualne wibracjenie uszkadza³y ³o¿ysk i wa³u.

Ko³pak, przykrywaj¹cypiastê, przechodzi p³ynniew gondolê. W gondoli mieœcisiê wa³ niskoobrotowy, napê-dzany bezpoœrednio przez pias-tê turbiny, przek³adnia podwy¿-szaj¹ca obroty i generator,wytwarzaj¹cy pr¹d. Pr¹d p³y-

MŁODY

TECHNIK

2/2005

2277

nastawny skok

wa³ niskoobrotowy

przek³adnia

urz¹dzenie steruj¹ce

wirnik

hamulec

napêd ustawienia kierunku

silnik ustawienia kierunku

wa³ wysokoobrotowy

obudowa

wiatrowskaz

³opata

wie¿a

kierunek wiatru

generator

anemometr

MIN

I QU

IZ M

TC

ZY

TAM

, WIÊ

C W

IEM

SprawnoϾ to:

a) zdolnoœæ wytwórczab) op³yw turbulentnyc) si³a noœna

T U R B I N A W I A T R O W A Z O S I ¥ P O Z I O M ¥

nie kablami umieszczonymi w wie¿y dotransformatora, który zasila sieæ lokaln¹.

Ka¿da z turbin w sieci lokalnej jeststerowana w³asnym mikroprocesoremi po³¹czona z komputerem centralnym,który koordynuje ich pracê.

Przy projektowaniu i budowie tur-bin wiatrowych nale¿y wzi¹æ pod uwagêwiele czynników, jak np. wibracje, bêd¹cewynikiem przecinania obszaru op³ywuturbulentnego za wie¿¹ (w przypadkuturbin pracuj¹cych „z wiatrem”, nie „podwiatr”) przez ³opaty. Np. w 1974 r., naœla-duj¹c sukces amerykañskiego programukosmicznego dziêki zaawansowanym pro-jektom niemieckim, in¿ynierowie NASAzatrudnieni przy projektowaniu turbinwiatrowych zapo¿yczyli plany UlrichaHuttera. Zastosowawszy w turbinie MOD-0 konfiguracjê „z wiatrem” (samonastaw-na turbina pracuj¹ca za wie¿¹), nie zau-wa¿yli w planach przegubu wahliwegozastosowanego w piaœcie. Ludzie z NASAbyli zdumieni zarówno ogromnymi naprê-¿eniami dynamicznymi, powstaj¹cymiw piaœcie w momencie, gdy ³opata wcho-dzi³a w cieñ wie¿y, jak i krótkim ¿yciem³o¿ysk. 2-megawatowa turbina MOD-1z kolei wytwarza³a nieprzewidzianedŸwiêki 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-megawatowyMOD-5B, ponadstumetrowy bestia, dzia-³aj¹cy od 1997 r. do dziœ na wyspie Oahuna Hawajach.

T U R B I N Y W I A T R O W E O O S I P I O N O W E J ( V E R T I C A L A X I S T U R B I N E S , V A W T )

Turbiny wiatrowe o osi pionowej dziel¹ siê nadwie 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 wodzieporusza siê bez poœlizgu, wtedy prêdkoœæ maksymalnakajaka bêdzie równa prêdkoœci przesuwania wios³a. Tosamo 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 wspó³czynnikiemprêdkoœci koñcówek (tip speed ratio,TSR) równym 1. Przy TSR powy¿ej 1w grê musi wchodziæ si³a noœna.Urz¹dzenia dzia³aj¹ce w oparciu o si-³ê noœn¹ maj¹ wy¿sz¹ sprawnoœæ.Turbina Savoniusa

Wynaleziona w Finlandii turbi-na Savoniusa w widoku z góry przy-pomina literê S. Jest to turbina typuoporowego i obraca siê relatywniepowoli, lecz generuje spory momentobrotowy. Ma³e turbinki Savoniusaznajdowa³y siê kiedyœ na dachachwagonów kolejowych i napêdza³ywentylacjê, stosuje siê je do mieleniaziarna, pompowania wody itp., leczze wzglêdu na prêdkoœæ obrotow¹poni¿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 wykonaæwe w³asnym zakresie, stosuj¹c jakomateria³ puszki, rury lub butelki plas-tikowe, wiadra lub beczki na ropê.

Turbiny Darrieus Turbina Darrieus zosta³a opa-

tentowana we Francji w 1927 r. Jejautorem by³ Georges Jean-Marie Dar-rieus, który opatentowa³ w zasadziedwie turbiny - najpopularniejszyobecnie typ, tzw. trzepaczkê do pianyz zagiêtymi ³opatami, oraz tzw.Giro-mill, czyli turbinê typu „H” z prostymi³opatami, która mia³a byæ równie¿stosowana w hydroenergetyce.

Turbina z ³opatami prostymijest jakby odwróceniem pêdnika Voit-

MŁODY

TECHNIK

2/2005

2288

j a k t o d z i a ł a

obudowa przek³adniwiatraka obracanawzglêdem wie¿y

S C H E M A T A M E R Y K A Ñ S K I E G O W I A T R A K A „ F A R M E R S K I E G O ”Model do pompowania wody. Widoczne wykorbienie, korbowód i popychacz.

Pod lupą

Czy elektrownie wiatrowe wyt-warzają prąd o napięciu230V i częstotliwości 50Hz?

Niekoniecznie. Elektrownieniepodłączone do ogólnokrajo-wej sieci są najczęściej wyposa-żone w skomplikowany systemdo gromadzenia i stabilizowaniaenergii w lokalnej sieci. Wiatraknapędza prądnicę prądu stałego.Ponieważ może się obracaćz różną prędkością pod wpływemróżnej prędkości wiatru, wytwa-rzane przez prądnicę napięciejest stabilizowane za pomocą re-gulatorów napięcia i przesyłanedo zespołu akumulatorów. Dopie-ro pobrany z akumulatorów prądstały jest zamieniany na prądzmienny (230V 50Hz) w urzą-dzeniach zwanych falownikami.Ale takiej energii nie można dos-tarczać do sieci ogólnokrajowej.Można za to zasilać w ten spo-sób np. stojące w pobliżu elek-trowni budynki.W elektrowniach lub farmachwiatrowych pracujących na pot-rzeby energetyki zawodowej naj-częściej wykorzystywany jest ge-nerator prądu zmiennego. Takiwiatrak kręci się z ustaloną pręd-kością obrotową, tak aby genera-tor wytwarzał prąd zmiennyo częstotliwości 50Hz. O stałąprędkość obrotową wiatraka dbaukład regulacyjny, który zmieniamiędzy innymi kąt nastawienia ło-pat wirnika. Takie elektrowniewytwarzają napięcie 15kV lub110kV, a więc takie, jakie panujew liniach przesyłowych.

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 nazestawie profili aerodynamicznych, op³ywanych przezwiatr. Przez to, ¿e wirnik turbiny Darrieus jest napêdza-

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 (przeci¹ganez 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 turbinz osi¹ pionow¹ maj¹ wiele naturalnych czêstotliwoœcidrgañ, których nale¿y unikaæ podczas pracy. Np. jednaz dwu³opatowych turbin o mocy 500 kW, mia³a takietrzy prêdkoœci obrotowe, które trzeba by³o szybkoprzejœæ, aby dojœæ do prêdkoœci operacyjnej i kilkaw 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 trudniejszychwarunkach. Aby turbina sta³a pionowo, stosuje siê od-ci¹gi. Wywieraj¹ one du¿y nacisk na g³ówne ³o¿yskaturbiny.

Firma Sandia Laboratories zbudowa³a 42-metro-wy prototyp o œrednicy 34 m i mocy 625 kW do badañw Agricultural Research Station w Amarillo w Texasie.

Turbina wiatrowa „Eole” na Cap-Chat, Quebecw Kanadzie, jest najwiêkszym obecnie przyk³adem„trzepaczki do piany” - ma oko³o 100 m wysokoœci i 60m œrednicy. Jej moc to 4MW, lecz pracuje w ni¿szymzakresie prêdkoœci, daj¹c ok. 2,5 MW.

Na rynku ma³ych turbin wiatrowych, modeleDarrieus z prostymi ³opatami s¹ tañsze, ni¿ „trzepaczkido 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 nadturbinami Darrieus do montowania na wie¿owcach,w celu dodatkowego zaopatrywania biur w pr¹d (wy-nik ostatnich awarii sieci energetycznych). !

MŁODY

TECHNIK

2/2005

2299

S C H E M A T T U R B I N Y S A V O N I U S A

U E n a k ł a d a n a P o l s kę o b o w i ą z e k s z y b k i e j r o z b u d o w y e n e r g e t y k ik o r z y s t a j ąc e j z o d n a w i a l n y c h ź r ó d e ł e n e r g i i , w t y m z w i a t r u .

LEKSYKON

Sprawność � to miara zdolności urządzenia, organizmu lubprocesu do przekształcania jednej postaci energii w inną.Wrażana jest w jednostkach bezwzględnych, lub procen-tach. Z zasady zachowania energii wynika, że sprawnośćdla dowolnej formy energii użytecznej nie może być więk-sza od jedności (czyli 100%). Patrząc na to inaczej: sumasprawności dla różnych form energii wyjściowej musi byćrówna jedności.Siła nośna � siła aerodynamiczna zwrócona przeciwnie dosiły grawitacji, pozwalająca na wznoszenie obiektów, ich lot.Powstaje w wyniku przepływu powietrza wokół odpowied-nio ukształtowanego płata, co powoduje wystąpienie różni-cy ciśnień po obu jego stronach.Opływ turbulentny � (burzliwy) - występuje gdy przedmiotjest opływany nieuporządkowanym strumieniem powietrzalub cieczy. Występuje samorzutnie przy dużych prędko-ścich lub za zakłucajacymi przepływ przedmiotami.Ustawienie �w chorągiewkę� � siła aerodynamiczna zwró-cona przeciwnie do siły grawitacji, pozwalająca na wzno-szenie obiektów, ich lot. Powstaje w wyniku przepływu po-wietrza wokół odpowiednio ukształtowanego płata, co po-woduje wystąpienie różnicy ciśnień po obu jego stronach.

oœ uk³adu

konstrukcja noœna

wsparcie ³o¿yska wirnika

tarcza hamulca mechanicznegosprzêg³o elastyczne

³o¿ysko górne wirnika

pokrywa

odci¹g

³opata

piasta wirnika

zastrza³

wirnik

generator

fundament

S C H E M A T T U R B I N Y D A R R I E U S Z P R O S T Y M I £ O P A T A M I