Czym są turbiny wiatrowe?
Turbiny wiatrowe to źródło energii odnawialnej, które można instalować zarówno na lądzie, jak i na morzu. Działają poprzez przekształcanie energii kinetycznej wiatru w elektryczność za pomocą generatora.
Turbiny wiatrowe dostępne są w różnych rozmiarach, od małych jednostek do użytku domowego (o mocy kW), po duże instalacje zdolne zasilać całe miasta (o mocy MW). Dzięki postępowi technologicznemu stają się one coraz bardziej ekonomiczne.
Turbiny Wiatrowe
Korzyści z wykorzystania turbin wiatrowych obejmują zmniejszenie zależności od paliw kopalnych (węgiel, ropa itp.) oraz redukcję emisji gazów cieplarnianych. Istnieją jednak pewne wady, takie jak hałas i wpływ wizualny. Ogólnie rzecz biorąc, turbiny wiatrowe są uznawane za czyste i wydajne źródło energii odnawialnej.
Czym jest wiatr i jak powstaje?
Wiatr to ruch powietrza w atmosferze, napędzany różnicami ciśnienia. Gdy powietrze jest ogrzewane przez słońce, wznosi się, tworząc obszar niskiego ciśnienia. Z kolei chłodne powietrze opada, co skutkuje obszarem wysokiego ciśnienia. Te różnice ciśnienia powodują przepływ powietrza z obszarów wysokiego do niskiego ciśnienia.
Szybkość wiatru zależy od wielkości różnicy ciśnień. Większa różnica prowadzi do silniejszych wiatrów, podczas gdy mniejsza skutkuje łagodniejszymi bryzami. Ciągły proces wyrównywania ciśnienia kształtuje wzorce pogodowe i klimaty, które obserwujemy na co dzień.
Aby lepiej zrozumieć, jak powstaje wiatr, można odwołać się do procesu konwekcji naturalnej. Ogrzane powietrze wznosi się, gdy staje się mniej gęste, a chłodniejsze powietrze wypiera je z powodu większej gęstości. To przemieszczenie tworzy cykl wznoszącego się i opadającego powietrza. Konwekcja naturalna występuje na dużą skalę w atmosferze Ziemi, ale zasada pozostaje taka sama.
Konwekcja Naturalna
Jakie są główne typy turbin wiatrowych?
Turbiny wiatrowe można klasyfikować według osi obrotu. Turbiny o poziomej osi (HAWT) są powszechnie stosowane w dużych instalacjach komercyjnych. Turbiny o pionowej osi (VAWT) są rzadziej spotykane i mniej wydajne, dlatego nie są używane w dużych projektach komercyjnych.
Jakie są główne części turbiny wiatrowej?
Poniżej znajduje się krótki przegląd komponentów turbiny wiatrowej; następnie podano szczegółowy opis każdej części.
Części Turbiny Wiatrowej
Główne części turbiny wiatrowej to:
- Fundament – wspiera ciężar turbiny i jej komponentów. Zazwyczaj wykonany z betonu lub stali.
- Wieża – zapewnia wsparcie strukturalne i podnosi gondolę.
- Gondola – mieści całą maszynerię generującą energię.
- Wirnik – składający się z łopat i piasty.
- Łopaty – zaprojektowane w kształcie profilu lotniczego, aby uchwycić energię kinetyczną wiatru i przekształcić ją w energię mechaniczną.
- Piasta – centralny element, do którego przymocowane są wszystkie łopaty.
- Wał niskiej prędkości – przenosi energię mechaniczną z wirnika do skrzyni biegów.
- Skrzynia biegów – zwiększa prędkość obrotową wału niskiej prędkości.
- Wał wysokiej prędkości – przenosi energię obrotową ze skrzyni biegów do generatora.
- Generator – przekształca energię mechaniczną z wału wysokiej prędkości w energię elektryczną.
- System hamulcowy – zatrzymuje obrót wirnika w sytuacjach awaryjnych, przy zbyt niskiej prędkości wiatru lub podczas konserwacji.
- System kontroli kierunku – ustawia wirnik w kierunku wiatru dla optymalnego pozyskiwania energii.
- System kontroli kąta natarcia – zmienia kąt natarcia łopat wirnika, co wpływa na moc wyjściową turbiny.
- Elektronika – reguluje napięcie i częstotliwość wyjściową generatora.
- Transformator – zwiększa napięcie wyjściowe generatora dla efektywnej transmisji energii.
Szczegółowy przegląd każdej z głównych części turbiny wiatrowej zostanie teraz przedstawiony.
Wieża
Wieża podnosi gondolę, maksymalizując jej ekspozycję na wyższe prędkości wiatru, które występują na większych wysokościach. Im większa prędkość wiatru, tym większa ilość energii dostępna do przekształcenia w energię elektryczną.
Gondola
Gondola to obudowa umieszczona na szczycie wieży. Mieści całą maszynerię generującą energię, w tym skrzynię biegów, generator i systemy sterowania. Gondola chroni maszynerię przed wpływem środowiska, zmniejszając tym samym efekty zużycia, korozji i erozji.
Wirnik
Wirnik składa się z dwóch głównych części: łopat i piasty. Wirnik przechwytuje energię wiatru i przekształca ją w energię mechaniczną. Gdy wiatr przepływa nad łopatami, wywołuje siłę obrotową (moment obrotowy), która jest przekazywana do piasty, a następnie do pozostałych elementów obrotowych turbiny (wał niskiej prędkości, skrzynia biegów, wał wysokiej prędkości i generator).
Łopaty
Łopaty przekształcają energię kinetyczną wiatru w energię mechaniczną; jest to osiągane, ponieważ każda z łopat ma kształt profilu lotniczego. Projekt profilu lotniczego powoduje generowanie siły nośnej, gdy powietrze przepływa nad powierzchnią łopaty. Siła nośna to siła liniowa działająca na łopatę, ale to moment obrotowy - siła obrotowa - powoduje obrót łopat.
Piasta
Piasta służy jako centralny punkt połączenia dla wszystkich łopat turbiny. Piasta przekazuje ruch obrotowy generowany przez łopaty do wału niskiej prędkości, a następnie do innych elementów obrotowych turbiny.
Wał niskiej prędkości
Wał niskiej prędkości przekazuje ruch obrotowy wirnika do skrzyni biegów.
Skrzynia biegów
Skrzynia biegów zwiększa niską prędkość obrotową wału niskiej prędkości przed przekazaniem jej do wału wysokiej prędkości.
Wał wysokiej prędkości
Wał wysokiej prędkości przekazuje energię obrotową ze skrzyni biegów do generatora.
Generator
Generator odpowiada za końcową konwersję energii. Przekształca energię mechaniczną z wału wysokiej prędkości w energię elektryczną.
System hamulcowy
System hamulcowy umożliwia bezpieczną kontrolę operacyjną turbiny wiatrowej. Może zatrzymać obrót wirnika podczas sytuacji awaryjnych, niskich prędkości wiatru lub w trakcie prac konserwacyjnych.
System kontroli kierunku
System kontroli kierunku służy do regulacji orientacji gondoli i wirnika względem kierunku wiatru. System ten optymalizuje pozyskiwanie energii, zapewniając, że łopaty są skierowane w stronę wiatru pod najbardziej efektywnym kątem. Systemy kontroli kierunku są zazwyczaj elektrycznie lub hydraulicznie sterowane.
System kontroli kąta natarcia
System kontroli kąta natarcia modyfikuje kąt ataku łopat wirnika względem wiatru. Regulacja kąta natarcia łopaty dostosowuje całkowitą moc wyjściową turbiny. Ze względu na naturę wiatru i jego zmienne warunki, kontrola kąta natarcia jest niezbędna do efektywnej pracy turbiny wiatrowej.
Elektronika
Elektronika zarządza i reguluje różne aspekty działania turbiny. Kontrolują napięcie i częstotliwość wyjściową generatora, zapewniając, że turbina może być podłączona (zsynchronizowana) z siecią w sposób bezpieczny i efektywny.
Transformator
Zazwyczaj umieszczony u podstawy wieży lub w gondoli, transformator służy do zwiększenia napięcia wyjściowego generatora. To zwiększenie napięcia powoduje zmniejszenie prądu, co oznacza, że straty mocy podczas transmisji mogą być znacznie zredukowane.
Kable i stacja transformatorowa
Kable przewodzą energię elektryczną z turbiny wiatrowej do stacji transformatorowej. Wiele turbin wiatrowych łączy się z jedną stacją transformatorową. Stacja transformatorowa łączy farmę wiatrową z siecią elektryczną.
Jak działają turbiny wiatrowe?
Komercyjne turbiny wiatrowe to wysokie konstrukcje, zazwyczaj z trzema łopatami, które obracają się wokół osi centralnej. Oś centralna składa się z wału niskiej prędkości między piastą wirnika a skrzynią biegów, oraz wału wysokiej prędkości między skrzyni biegów a generatorem elektrycznym (dwa wały nie są dosłownie zainstalowane wzdłuż osi centralnej, ale są nieco przesunięte).
Łopaty turbiny są obracane przez energię kinetyczną wiatru (energia z ruchu). Każda łopata ma kształt profila lotniczego (ang. aerofoil), aby maksymalizować siłę nośną i minimalizować opór. Siła nośna to siła, która działa na łopaty, gdy wiatr przepływa nad nimi, ale to moment obrotowy (siła obrotowa) powoduje obrót łopat wokół osi centralnej.
Projekt Aerofoil
Łopaty łączą się z wspólną piastą wirnika, która łączy się z wałem niskiej prędkości, następnie ze skrzynią biegów, potem z wałem wysokiej prędkości, a na końcu z generatorem. Energia kinetyczna wiatru jest przekształcana w energię mechaniczną przez łopaty turbiny; ta energia jest następnie przekazywana do generatora, gdzie jest przekształcana w energię elektryczną. Wszystkie te komponenty są umieszczone w gondoli, która jest zainstalowana na szczycie wieży.
Turbiny wiatrowe często wykorzystują cylindryczny projekt monopolu, chociaż możliwe są również konstrukcje kratowe. Wieże monopole są zazwyczaj produkowane ze stali, ale mogą być również wykonane z betonu.
Jak duże mogą być turbiny wiatrowe?
Największa komercyjna turbina wiatrowa to Haliade-X firmy General Electric. Haliade-X ma wysokość 260 m (853 ft), średnicę wirnika 220 m (721 ft) i może generować prawie 13 MW energii elektrycznej (wystarczająco dla około 10 000 domów).
Dlaczego turbiny wiatrowe są tak wysokie?
Prędkości wiatru są większe na większych wysokościach. Ilość energii, jaką turbina wiatrowa może wydobyć z wiatru, jest proporcjonalna do prędkości wiatru. Wyższe prędkości wiatru zawierają więcej potencjalnej energii, dlatego turbiny wiatrowe są budowane wysoko, aby dotrzeć do tej potencjalnej energii i ją pozyskać.
Jakie są zalety turbin wiatrowych?
Turbiny wiatrowe są coraz częściej wykorzystywane jako źródło energii odnawialnej. Istnieje wiele korzyści z używania turbin wiatrowych w porównaniu z tradycyjnymi źródłami paliw kopalnych, w tym ich brak emisji (po zainstalowaniu i uruchomieniu), niskie koszty utrzymania oraz możliwość generowania energii elektrycznej nawet przy niskich prędkościach wiatru. Turbiny wiatrowe mogą być również używane do uzupełniania innych źródeł energii, takich jak słoneczna (fotowoltaika, często skracana do 'PV'), hydro i nieodnawialne elektrownie (węgiel, gaz, ropa itp.). Ponadto turbiny wiatrowe mogą być budowane na różnych rodzajach terenu, w tym na polach uprawnych, pustyniach, obszarach miejskich, a nawet na morzu (offshore).
Jakie są wady turbin wiatrowych?
Turbiny wiatrowe są coraz popularniejszym źródłem energii odnawialnej, ale mają także pewne wady. Jednym z najważniejszych problemów jest to, że turbiny wiatrowe mogą być wizualnie nieatrakcyjne dla niektórych osób, szczególnie na obszarach wiejskich. Stanowią również źródło zanieczyszczenia hałasem, ponieważ łopaty turbiny mogą generować hałas z powodu ruchu łopat przez powietrze, a czasami także z powodu wibracji. Turbiny wiatrowe mogą stanowić zagrożenie dla dzikiej przyrody, ponieważ ptaki i nietoperze mogą być zabijane, jeśli wlecą w łopaty. Wreszcie, turbiny wiatrowe mogą być źródłem zanieczyszczenia świetlnego, ponieważ obracające się łopaty tworzą migoczące cienie.
Ogólnie rzecz biorąc, turbiny wiatrowe oferują stosunkowo czyste źródło energii, ale mają także drobne wady.
Gdzie można zainstalować turbinę wiatrową?
Turbiny wiatrowe można znaleźć w różnych miejscach, od otwartych pól po szczyty gór. Często są one grupowane w 'farmy wiatrowe', które mogą generować znaczne ilości energii (setki megawatów). Niektóre z największych farm wiatrowych znajdują się w Stanach Zjednoczonych, Chinach, Wielkiej Brytanii i Niemczech. W miarę jak wykorzystanie energii wiatrowej nadal rośnie, prawdopodobnie turbiny wiatrowe staną się jeszcze bardziej powszechne.
Farma Wiatrowa
Zasoby do nauki więcej o turbinach wiatrowych:
Program Wiatrowy Departamentu Energii USA ma wiele informacji na swojej stronie internetowej.
Dodatkowe zasoby
https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine
https://www.enelgreenpower.com/learning-hub/renewable-energies/wind-energy/wind-turbine
https://www.repsol.com/en/energy-and-the-future/future-of-the-world/wind-turbine/index.cshtml