Energia elektryczna z powietrza cz.2. Rodzaje turbin

Energia elektryczna z powietrza cz.2. Rodzaje turbin

Witajcie

Dziś zajmiemy się rodzajami turbin wiatrowych. Być może znajdziecie coś dla siebie.

Silniki wiatrowe służą do przekształcania energii wiatru na energię elektryczną, mechaniczną lub inną. Podstawowym elementem każdej siłowni wiatrowej jest wirnik. Umożliwia on zamianę energii kinetycznej ruchu cząstek powietrza w energię mechaniczną – ruch obrotowy wirnika. Następnie ruch obrotowy przekazywany jest do urządzeń wykonawczych (generator prądu elektrycznego, pompa itd.).

Podziału siłowni wiatrowych można dokonać ze względu na wiele różnych kryteriów. Zacznijmy od mocy:

  • Duże elektrownie wiatrowe (w praktyce powyżej 100 kW), oprócz tego, że mogą zasilać dom, stosowane są przede wszystkim do wytwarzania prądu, który sprzedaje się do sieci elektroenergetycznej. Taka elektrownia musi spełniać szczegółowe wymagania lokalnego operatora sieci. Potrzebna jest oczywiście jego zgoda na takie przyłączenie.
  • Małe elektrownie wiatrowe – o mocy od 100 W do 50 kW. Elektrownie z tej grupy mogą zapewniać energię elektryczną w pojedynczych gospodarstwach domowych, a nawet w małych firmach. W warunkach przydomowych najpopularniejsze są elektrownie 3-5 kW. Moc takich elektrowni, wspomagana energią zmagazynowaną w akumulatorach, wystarczy do zasilania oświetlenia, układów pompowych, sprzętu i urządzeń domowych.
  • Mikroelektrownie wiatrowe – o mocy poniżej 100 W. Używa się ich najczęściej do ładowania baterii akumulatorów stanowiących zasilanie obwodów wydzielonych – w miejscach,gdzie sieć elektroenergetyczna nie występuje lub względy zewnętrzne wskazują konieczność wykorzystania innego źródła energii. Takie elektrownie można wykorzystać do zasilania przez akumulatory części oświetlenia domu: pojedynczych lamp, a nawet poszczególnych pomieszczeń czy urządzeń.

Najbardziej chyba znanym podziałem jest podział ze względu na położenie, czy tez kierunek osi obrotu.:

  • z poziomą osią obrotu – HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines); najpopularniejsze – ponad 95% stosowanych rozwiązań;
  • z pionową osią obrotu – VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines).

Możemy oczywiście znaleźć jeszcze inne kryteria:

  • sposób wykorzystania produkowanej energii wyróżnia się siłownie energetyczne i siłownie mechaniczne (np. pompowe);
  • liczbę płatów wirnika – elektrownie jedno-, dwu-, trzy-, cztero- i wielopłatowe;
  • usytuowanie wirnika względem kierunku wiatru i masztu (w elektrowniach typu HAWT): dowietrzne (ang. up-wind) oraz odwietrzne (ang. down-wind);
  • szybkobieżność – elektrownie wolnobieżne, średniobieżne i szybkobieżne.

Wśród najpopularniejszych maszyn – typu HAWT – ponad 90 % obecnie stosowanych to
trójpłatowe urządzenia typu up-wind służące głównie do wytwarzania energii elektrycznej
[http://www.eceo.org.pl].

Jesteśmy preppersami, dlatego też zaryzykuję założenie, że nie interesuje nas instalacja turbin wielkiej mocy. Interesujemy się raczej mikroturbinami. Najważniejsza decyzja z naszego punktu widzenia to wybranie rodzaju turbiny HAVT lub dla nas VAWT. Przyjrzyjmy się im bliżej.

Siłownie wiatrowe z silnikiem o poziomej osi obrotu wirnika – HAWT

W tej grupie turbin wiatrowych spotyka się głównie wirniki jedno-, dwu-, trzypłatowe. Buduje się również siłownie z większą ilością łopat. Służą one głównie do przepompowywania wody, napędu młynów lub innych zastosowań z wykorzystaniem energii mechanicznej. To tzw. “amerykanki”. Obecnie siłownie wiatrowe z poziomą osią obrotu stanowią około 95 % rozwiązań dostępnych na rynku. Schemat typowej elektrowni wiatrowej przedstawiono na rys. 1. Zamieszczony schemat pokazuje przykładowe wnętrze tzw. siłowni dużej mocy, niemniej jednak większość podukładów występujących
w tej konstrukcji ma zastosowanie we wszystkich rodzajach „wiatraków”.

turbina1

Rys.1. Uproszczony schemat budowy turbiny HAWT.

Ogólna zasada działania siłowni wiatrowej z wirnikiem o osi poziomej
Napływający na wirnik strumień powietrza (rys. 2) dzięki odpowiedniemu ustawieniu
łopat wywołuje ruch obrotowy wirnika. Energia obracającego się wirnika może być wykorzystywana bezpośrednio do napędzania urządzeń mechanicznych (np. pompy) lub poprzez sprzężenie z generatorem do wytwarzania energii elektrycznej. Ster kierunkowy pozwala na utrzymanie całego wirnika w odpowiednim położeniu względem wiatru zwiększając wykorzystanie energii wiatru.

turbina2

Rys.2. Zasada działania turbiny wiatrowej z wirnikiem o osi poziomej.

Ilość wyprodukowanej przez siłownię wiatrową energii zależy od kilku czynników, m. in.
od prędkości wiatru oraz sprawności całego układu. Odpowiednio wyprofilowane łopaty gwarantują wysoką sprawność silnika wiatrowego.

W celu zwiększenia wykorzystania energii wiatru oraz regulacji prędkością obrotową wirnika stosuje się systemy regulacji kąta natarcia łopat. W niektórych urządzeniach system regulacji kąta natarcia łopat zastąpiono systemem zmiany ustawienia płaszczyzny turbiny (wirnika) względem wiatru. Jest on również jednym z elementów bezpieczeństwa skutecznie ograniczającym obroty wirnika w sytuacji, gdy siła wiatru jest bardzo duża. Wraz ze wzrostem siły wiatru następuje zmiana położenia turbiny (wirnika) względem wiatru. Cały wirnik ustawia się „bokiem do wiatru”.

Siłownie wiatrowe z silnikiem o pionowej osi obrotu wirnika – VAWT

W porównaniu z rozwiązaniami silników wiatrowych z poziomą osią obrotu silniki typu VAWT stanowią niewielką część pracujących obecnie instalacji. Większość konstrukcji silników wiatrowych VAWT bazuje na trzech podstawowych rozwiązaniach konstrukcyjnych. Są to silniki Savonius’a, Darrieus’a oraz rotory typu H. Przykłady takich rozwiązań przedstawia rys. 3. a) b) c)

turbiny3
Rys. 3. Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu:
a) wirnik Darrieus’a sprzęgnięty z dwoma wspomagającymi wirnikami Savonius’a,
b) silnik wiatrowy Savonius’a, c) turbina o wirniku w kształcie H.

Najpopularniejszym, najbardziej “obadanym” i chyba najprostszym w budowie jest wirnik Savonius’a. Jest on często stosowany zarówno przez amatorów budujących siłownie wiatrowe sposobem gospodarczym, jak i przez fi rmy profesjonalnie zajmujące się produkcją turbin wiatrowych. Typowy wirnik Savonius’a ma niewielką sprawność oraz charakteryzuje się dużą zmiennością momentu napędowego w trakcie obrotu wirnika. Wiele ośrodków naukowych oraz firm zajmujących się produkcją turbin wiatrowych pracuje nad rozwiązaniami, które mogą te wady wyeliminować. Mimo to jednak, silnik Savonius’a znajduje zastosowanie ze względu na niezawodność, prostotę konstrukcji oraz niskie koszty wytworzenia. Myślę, że nas preppersów to ta konstrukcja zainteresuje najbardziej. Oczywiście istnieje wiele wersji tego typu turbin, wiele “przeróbek”, udoskonaleń. Tu się pochwalę, że zespół w którym na co dzień pracuję jest autorem kilku udoskonaleń wirnika typu Savonius.

Zalety i wady siłowni z wirnikiem typu HAWT i VAWT

Zalety oraz wady silników wiatrowych – konstrukcje o poziomej osi obrotu:
zalety:

  • posiadają wyższą sprawność od turbin o pionowej osi obrotu,
  • estetyczny i harmonijny wygląd,
  • duża sprawność wykorzystania energii wiatru,

wady:

  • wysoki poziom emitowanego hałasu ze względu na wysoka prędkość obrotowa,
  • wymagają mechanizmu, który przy bardzo silnym wietrze ogranicza obroty turbiny,
  • wymagają mechanizmu „naprowadzania na wiatr”,
  • w przypadku umieszczenia generatora w gondoli wymagają zastosowania połączeń ślizgowych.

Zalety oraz wady silników wiatrowych – konstrukcje o pionowej osi obrotu:
zalety:

  • jednakowa praca niezależna od kierunku wiatru – nie wymagają mechanizmu „ustawiania na wiatr”, a więc uproszczona konstrukcja mechaniczna oraz sterowanie,
  • możliwość łatwego montażu na obiektach – nie jest konieczne budowanie wysokich masztów,
  • możliwość montażu na dachach budynków, słupach, istniejących konstrukcjach masztów itp.,
  • cicha praca – nawet przy maksymalnej prędkości obrotowej,
  • odporność na silny wiatr – nie wymaga zatrzymania nawet przy wietrze o prędkości 40 m/s – kształt wirnika zapewnia aerodynamiczne ograniczenie prędkości obrotowej,
  • odporność w warunkach zimowych na pokrycie szadzią, szronem czy lepkim śniegiem – dzięki niewielkiej średnicy i niskiej prędkości obrotowej, nie wymaga wirnika z tego powodu nie powoduje dużych niebezpiecznych drgań,
  • bezobsługowa praca zespołu prądotwórczego – brak połączeń ślizgowych,
  • możliwa jest konstrukcja przenośna dzięki łatwemu montażowi i demontażowi,
  • stosunkowo niski koszt w porównaniu z klasycznym wiatrakiem o poziomej osi obrotu,
  • estetyczny wygląd – podczas pracy wrażenie cyklicznej zmiany kształtu, daje nowe możliwości umieszczenia reklam czy też wykorzystania jako element scenografi i krajobrazu,

wady:

  • niska sprawność, aby wytworzyć taką samą ilość energii, co tradycyjne turbiny wymagają znacznie większych gabarytów,
  • ze względu na niewielką prędkość obrotowa potrzebny jest generator wolnobieżny lub przekładnia, której zastosowanie zmniejsza dodatkowo sprawność urządzenia i przyczynia się do zwiększenia emisji hałasu.

Jeśli myślicie, aby postawić sobie turbinę wiatrową, pamiętajcie, że będzie ona elementem Waszego życia. Będziecie na nią patrzeć codziennie, gdy wyjdziecie przed dom, na działkę czy inny swój teren. Fajnie byłoby, aby nie było słychać świstu, szumu. Tak na prawdę sprawność turbiny jest mniej ważna. Jeśli już ją mamy, każda energia z wiatru jest tańsza niż z sieci. Jeśli sieć zawiedzie, każda energia, nawet z najmniej sprawnej turbiny jest lepsza niż jej brak.

Jak “przyśpieszyć wiatr” i wybrać miejsce ustawienia turbiny? O tym już wkrótce.

Z obowiązku… źródła:

  1. Nalepa K., Miąskowski W., Pietkiewicz P., Piechocki J., Bogacz P., Poradnik Małej energetyki wiatrowej, Warmińsko-Mazurska Agencja Energetyczna, Olsztyn 2011
  2. Ekoland, Dane techniczne turbiny wiatrowej C-100, udostępniono on-line na www.ekoland4.com/wiatrowe_ce100.html.
  3. European Patent Offi ce, http://v3.espacenet.com
  4. Jagodziński W. 1959. Silniki wiatrowe. PWN Warszawa
  5. Polak A., Baranski M., 2006, Porównanie turbin wiatrowych, Katowice Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 74/2006

ponadto:
http://en.wikipedia.org/wiki/Darrieus_wind_turbine
http://ww.superwind.com
http://ww.windhunter.com.pl
http://www.bergey.com/
http://www.eceo.org.pl
http://www.ecopowerusa.com/vawt.html
http://www.eko-moc.webpark.pl/wiatraki/pawlaka.html
http://www.elektrownie.tanio.net
http://www.elektrownie-wiatrowe.org.pl
http://www.gepower.com
http://www.gual-industrie.com
http://www.helixwind.com
http://www.pacwind.net/products.html
http://www.paze.pl
http://www.repower.de
http://www.ropatec.com
http://www.termodom.pl
http://www.tmawind.com
http://www.turby.nl
http://www.windharvest.com
http://www.windside.com
http://www.windturbinecompany.com/
http://www.wind-works.org/photos/PhotosVAWTs.html
http://www.elektrownie-wiatrowe.org.pl/por_koncesje.htm
http://www.eko-moc.webpark.pl/wiatraki/magnusa_efekt1.html

Leave a Comment