Elektrownie Wiatrowe
Dariusz Szymański
Politechnika wrocławska, snajper00@wp.pl
Słowa kluczowe: elektrownia wiatrowa, generacja mocy
1. Wstęp
Objętość pracy ze wszystkimi elementami nie
powinna przekraczać 4 stron formatu A4. Praca
powinna być napisana w języku polskim lub angielskim
oraz być podzielona na części (Streszczenie, Wstęp,
Metody/Teoria, Wyniki i dyskusja, Wnioski,
Literatura). Kolejne części referatu (poza Streszczeniem
i Literaturą) należy numerować.
Praca powinna być zapisana w formacie MS Word
95 (plik typu *.doc lub *.rtf). W przypadku nowszych
wersji edytora MS Word lub innych edytorów tekstu
dokument należy zapisać w formacie MS Word 95.
Pliki należy dostarczyć na dysku CD lub dyskietce na
adres korespondencyjny Kongresu do 31 marca 2004 r.
Dodatkowo do tych materiałów należy dołączyć dwie
wydrukowane kopie referatu.
2. Budowa
Budowę elektrowni wiatrowej ilustruje rysunek 1,
natomiast na rysunku 2 przedstawiono budowę
profesjonalnej elektrowni wiatrowej o mocy 2 MW
pracującej na potrzeby sieci energetyki zawodowej.
Rys. 1. Uproszczony schemat budowy siłowni
wiatrowej
Najważniejszym elementem siłowni wiatrowej jest
wirnik przekształcający energię wiatru w energię
mechaniczną przekazywaną do generatora. Zazwyczaj
wykonuje się wirniki trójpłatowe (rzadziej
dwupłatowe). Większość płatów wykonana jest z
włókna szklanego wzmocnionego poliestrem. Każda
łopata składa się z dwóch powłok przymocowanych do
belki nośnej.
Rys. 2. Budowa elektrowni wiatrowej (model
V80-2.0MW firmy Vestas)
1) kontroler 2) siłownik mechanizmu przestawiania
łopat 3) główny wał 4) chłodnica oleju 5) skrzynia
przekładniowa 6) wieloprocesorowy układ
sterowania 7) hamulec postojowy 8) dźwig dla
obsługi 9) transformator 10) piasta łopaty 11)
łożysko łopaty 12) łopata 13) układ hamowania
wirnika 14) układ hydrauliczny 15) tarcza
hydraulicznego układu hamowania wirnika 16)
pierścień układu kierunkowania 17) fundament 18)
koła zębate układu kierunkowania 19) generator
20) chłodnica generatora powłok przymocowanych
do belki nośnej.
W niektórych rozwiązaniach istnieje ponadto
możliwość zmiany kąta ustawienia łopat wirnika
dzięki zastosowaniu siłowników hydraulicznych.
Wirnik osadzony jest na wale wolnoobrotowym,
którego obroty poprzez skrzynię przekładniową
przekazywane są do wału szybkoobrotowego. Wał
szybkoobrotowy połączony jest z wałem
generatora. Spotykane są też układy pracujące bez
przekładni. Najczęściej wirnik obraca się z
prędkością (15-30) obr./min., przekładnia zwiększa
tą prędkość obrotową 50-krotnie do 1500 obr./min.
Stopień przełożenia zależy od typu prądnicy
zastosowanej w elektrowni. Jako generatory
pracują najczęściej prądnice asynchroniczne. W
czasie rozruchu generatory łączone są do sieci
przez układy tyrystorowe, które następnie są
bocznikowane stycznikami.
Mikroprocesorowy system sterowania monitoruje
stan siłowni i pobiera dane do obliczeń i
sterowania. Generator, transformator, przekładnia i
urządzenia sterujące umieszczone są w gondoli.
Ponadto gondola zawiera układy smarowania,
chłodzenia, hamulec tarczowy itp.
Gondola i wirnik obracane są w kierunku wiatru
przez silniki i przekładnię zębatą znajdującą się na
szczycie wieży, na której umieszczona jest
gondola.
Wieża jest stalowa, w kształcie rury, rzadziej o
konstrukcji kratownicowej. Urządzenia niewielkich
mocy, przeznaczone dla małych, indywidualnych
użytkowników charakteryzują się znacznie
prostszą budową. Nie mają mechanizmów zmiany
kąta ustawienia łopat, gondola jest zintegrowana z
chorągiewką kierunkową. Często konstrukcja ich
wieży umożliwia także ustawienie wirnika w osi
pionowej, co jest równoznaczne z wyłączeniem
elektrowni.
3. Generowanie mocy
Podstawowe informacje o krzywej mocy czyli jak
zmienia się produkcja energii elektrycznej w
funkcji prędkości wiatru.
Moc wyjściowa elektrowni wiatrowej zmienia sie
wraz ze zmianą prędkości wiatru. Zależność tą
obrazuje właśnie krzywa mocy.
Jest to jedna z podstawowych danych, na jakie
powinniśmy zwrocić uwagę przy planowaniu
budowy elektrowni.
Bardzo istotne jest, aby krzywa była jak
najbardziej stroma i osiagała max. przy jak
najniższej prędkości wiatru.
Nowoczesne elektrownie po osiągnięciu
maksimum ( na rys. ok. 30mph ) utrzymują staly,
wysoki poziom produkcji energii.
Ważna jest także:
- prędkość załączenia "cut-in" - predkość przy
jakiej rozpoczyna się produkcja,
- predkość wyłączenia "cut-out" - prędkość przy
jakiej elektrownia wyłącza się,
Moc produkowana wzrasta z sześcianem prędkość
i wiatru. Krzywa mocy pozwala nam ustalić
produkcję elektrowni na podstawie uzyskanych z
pomiarów średnich predkości wiatru.
Jak obliczyć moc generowaną przez elektrownie -
teoria
Ponieważ powietrze posiada masę i porusza się,
posiada energie kinetyczną :
Energia kinetyczna (joules) = 0.5 x m x V2
gdzie: m = masa (kg), V = predkość (metry/sec)
Po prostych przeksztalceniach i uwzględnieniu
masy przepływającego powietrza otrzymujemy:
Moc w polu zakreślanym przez wirnik elektrowni:
P = 0.5 x rho x A x V3
P = moc w watach (746 W = 1 KM) (1,000 W = 1
kilowat)
rho = gestość powietrza (okolo 1.225 kg/m3 na
poziomie morza, mniej im wyzej )
A = powierzchnia zakreslana przez wirnik (m2)
V = prędkość wiatru w metrach/sec
Otrzymana wartość określa nam moc strumienia
powietrza w polu wirnika. Oczywiście nie jest
możliwe wykorzystanie jej całej (możliwe tylko w
przypadku prostopadlej sciany na drodze wiatru.)
Tak więc musimy dodać jeszcze kilka zmiennych
do otrzymania praktycznego wzoru.
Moc turbiny: P = 0.5 x rho x A x Cp x V3 x Ng x
Nb
P = moc w watach (746 wat = 1 KM) (1,000 wat =
1 kW )
rho = gestość powietrza ( 1.225 kg/m3 na poziomie
morza)
A = powierzchnia zakreślana przez wirnik,
prostopadła do wiatru (m2)
Cp = współczynnik efektywności (0.35 dla
dobrego projektu)
V = prędkość wiatru w metrach/sec
Ng = efektywność generatora (85% i wiecej dla
nowoczesnych generatorów)
Nb = efektywność skrzyni biegów/kierunku, im
wyższa tym lepsza - 95% jest O.K.)