Energetyka wiatrowa

Energetyka wiatrowa jest jednym ze sposobów wykorzystania energii słonecznej. 2% energii promieniowania słonecznego jest przemieniane na wiatr. Wiatr jest ruchem powietrza (poziomym, lub prawie poziomym),  a wywoływany jest różnicą ciśnień . Różnica ciśnień jest wynikiem nierównomiernego nagrzewania się powierzchni Ziemi pod wpływem promieniowania słonecznego. Zjawisko to wykorzystywane jest na wiele sposobów, jednym z nich jest wykorzystanie na cele energetyczne – do produkcji energii elektrycznej, a konkretnie do napędzania turbin wiatrowych.

Turbina wiatrowa zamienia energię kinetyczną wiatru na pracę mechaniczną w postaci obrotów wału wirnika. Stanowi ona podstawowy element elektrowni wiatrowej.

Elektrownia wiatrowa – elektrownia produkująca energię elektryczną przy wykorzystaniu generatorów napędzanych energią wiatru.  Kilka elektrowni wiatrowych (turbin wiatrowych) wraz z całym zapleczem technicznym nazywany jest farmą lub parkiem wiatrowym.

Do energetycznych aspektów wiatru należą:

  • Kierunek wiatru,
  • Prędkość wiatru,
  • Moc wiatru,
  • Energia wiatru.

Energia wiatru jest wprost proporcjonalna do prędkości wiatru w potędze trzeciej.

Najważniejszym parametrem branym pod uwagę jest moc turbiny.
Zmianę mocy turbiny najlepiej pokazuje krzywa mocy. Jest to parametr, który obrazuje, jak zmienia się moc a co za tym idzie produkcja energii elektrycznej, przy zmianie prędkości wiatru. Krzywa mocy to podstawowy parametr brany pod uwagę przy projektowaniu farm wiatrowych.

Najlepsza krzywa mocy dla danej turbiny wiatrowej powinna być stroma, a maksimum osiągać przy jak najniższej prędkości wiatru – na jej podstawie oraz na podstawie średnich wartości prędkości wiatru na danym terenie można przybliżyć produkcję mocy z danej elektrowni wiatrowej.

Rysunek 1 Przykładowa krzywa mocy, wygenerowana dla turbiny Bonus o mocy 1 MW w programie WAsP.

Silna zależność uzyskiwanych mocy od prędkości wiatru ma znaczenie pierwszoplanowe i razem ze stałością występowania wiatru na danym obszarze decyduje o wyborze usytuowania instalacji wiatrowych.

Z czego składa się turbina wiatrowa?

  • Wirnik – jeden z najważniejszych elementów turbiny wiatrowej. Może on być ustawiony w płaszczyźnie poziomej lub pionowej, dlatego też rozróżniamy turbiny o poziomej osi obrotu (HAWT – Vertical Axis Wind Turbine) i pionowej (VAWT – Vertical Axis Wind Turbine). Wirniki różnią się od siebie pod względem ilości łopat, jednak najczęściej wykorzystywane są konstrukcje składające się z 3 łopat.
  • Gondola – znajduje się w niej zespół napędowy, generator, system sterowania oraz mechanizm kierunkowych odchyleń.
  • Wał główny – przenosi moment obrotowy z wirnika na przekładnię zębatą.
  • Hamulec tarczowy – zamontowany jest on na głównym wale wolnobieżnym znajdującym się przed przekładnią lub na wale szybkobieżnym.
  • Przekładnia (zębata) służy do uzyskania odpowiedniej częstotliwości prądu elektrycznego.
  • Generator to w urządzenie konwersujące energię mechaniczną wału na energię elektryczną.
  • Zespół kierunkowy – nakierowuje wirnik elektrowni odpowiednio do kierunku wiejącego wiatru.
  • Wieża – na niej umieszony jest wirnik na wysokości, która zapewnia najefektywniejsze wykorzystanie wiatru. Wieża podtrzymuje gondole, a także musi znosić napory wiatru i grawitacyjne obciążenia.

Rysunek 2 Turbina o poziomej osi obrotu (Źródło: Redakcja GLOBEnergia)

Najczęściej stosowanym podziałem elektrowni wiatrowych jest podział ze względu na konstrukcje, według którego rozróżniamy turbiny o pionowej oraz o poziomej osi obrotu.

  • Turbiny o pionowej osi obrotu uważane są za przyszłość przydomowej energetyki wiatrowej ze względu na ich łatwy montaż i demontaż, a przede wszystkim prostą konstrukcję. Nie ma potrzeby nakierowywania ich w stronę wiatru. Wyróżniamy turbiny VAWT:
    • Turbina Darrieusa – na pionowym wale zamocowane są trzy (mogą być też dwa) skrzydła o stałej cięciwie i symetrycznym profilu,
    • Turbina Darrieusa typu „H”,
    • Turbina Savoniusa ,
    • Turbina świderkowa – będąca modyfikacją silnika Savoniusa.
  • Turbiny o poziomej osi obrotu mają wyższą sprawność od turbin o pionowej osi obrotu, co stanowi najczęstszy powód do podjęcia decyzji przez konsumentów o ich zastosowaniu. Turbiny HAWT należy nakierować w stronę wiejącego wiatru. Wyróżniamy turbiny HAWT:
    • Up-wind (nawietrzne),
    • Down-wind (zawietrzne),
    • Turbiny jedno, dwu i trzypłatowe,
    • Turbiny wielopłatowe,
    • Turbiny wyposażone w dyfuzor – wykorzystują prawo Bernoulliego,
    • Turbiny wykorzystujące efekt Magnusa (to zjawisko z zakresu dynamiki płynów, polegające na powstaniu siły prostopadłej do kierunku ruchu).

Elektrownie wiatrowe dzielone są na typy ze względu na:

  • zastosowanie (przydomowe lub przemysłowe)
  • moc (mikro, małe i duże) :
    • Mikroelektrownie – moc do 100 W,
    • Małe elektrownie – moc od 100 W do 50 kW,
    • Duże elektrownie – moc ponad 50 kW,
  • lokalizację (lądowe i morskie).

Źródła: globenergia.pl, elektrownie-wiatrowe.pl, polishwindenergy.com