Funkcjonowanie i cechy konstrukcyjne nowoczesnych typów farm wiatrowych

W artykule omówiono zasadę działania oraz charakterystyki projektowe nowoczesnych turbin wiatrowych dla przemysłu i sektora prywatnego.

Od czasów starożytnych ludzkość próbowała ujarzmić wiatr, oddając go na swoje usługi. Na początku istniały żaglowce, które do ruchu wykorzystują energię wiatru, potem w życiu codziennym zaczęto wykorzystywać wiatraki, ale teraz przyszedł czas na wykorzystanie energii wiatru w generatorach wiatrowych do generowania energii elektrycznej, która służy ludziom.

Za granicą dość duża część energii elektrycznej jest wytwarzana przez elektrownie wiatrowe (HPP), czego, szczerze mówiąc, nie można powiedzieć o Rosji i krajach obszaru poradzieckiego. Tutaj jest to oczywiste - jesteśmy w gronie maruderów.

Wykorzystanie farm wiatrowych w rozwiniętych krajach świata umożliwia rozwiązanie nie tylko problemów autonomicznego zasilania willi, domów wiejskich, społeczności daczy, ale także problemów środowiskowych, ponieważ podczas produkcji energii elektrycznej nie ma zanieczyszczenia środowiska z nowoczesnych elektrowni wiatrowych w ogóle.

Przyjrzyjmy się zasadzie działania, a bardziej szczegółowo głównym typom nowoczesnych elektrowni wiatrowych.

Zasada działania generatorów wiatrowych

Dowolna zasada działania elektrownia wiatrowa (HPP) polega na zamianie energii kinetycznej strumienia powietrza poruszającego się w płaszczyźnie łopat lub turbin na energię elektryczną — za pomocą generatorów elektrycznych. Najbardziej rozpowszechnionym typem nowoczesnych elektrowni wiatrowych są elektrownie wiatrowe łopatkowe, które łączą w sobie łopatowe generatory wiatrowe z poziomą osią obrotu oraz generatory obrotowe z karuzelą, w której - oś obrotu jest usytuowana pionowo. Poniżej przyjrzymy się bliżej tym typom generatorów wiatrowych.

Projektowanie głównych typów turbin wiatrowych

Każdy generator wiatrowy konstrukcyjnie składa się z podstawy zwanej inaczej masztem, urządzenia obrotowego z obracającymi się łopatami lub turbiny wiatrowej, energii elektrycznej wytwarzanej przez generator oraz baterii. Ponadto w każdej farmie wiatrowej wymagana jest jednostka sterująca i konwertująca.

Jeśli chodzi o liczbę łopatek, turbiny hydroelektryczne mogą być dwu-, trzy- i wielołopatkowe. Najczęściej spotykane są turbiny trójłopatkowe.Aby zapobiec przedwczesnej awarii turbin wiatrowych, elektrownie wiatrowe wyposaża się w system aeromechanicznej stabilizacji prędkości obrotowej ich łopat.

Generator elektryczny wytwarzający energię elektryczną w elektrowni wiatrowej jest podłączony bezpośrednio do jej turbiny, gdy osie obrotu turbiny wiatrowej i generatora są takie same, lub poprzez przekładnię mechaniczną, która przenosi ruchy obrotowe łopat turbiny na generator. Nowoczesne farmy wiatrowe wykorzystują głównie synchroniczne wielobiegunowe generatory bezszczotkowe z magnesami trwałymi, które są konstrukcyjnie wykonane w całkowicie zamkniętej obudowie i ze standardowych elementów.

W zależności od kierunku i „ciśnienia” napływającego powietrza na łopatki turbiny może ono być przestawiane przez mechanizm obrotu instalacji w kierunku optymalnym dla jej efektywnej pracy.

Funkcjonalnie zespół regulacji i przetwarzania mocy przeznaczony jest do magazynowania energii elektrycznej wytwarzanej przez farmę wiatrową w jej akumulatorach i jej późniejszej konwersji z napięcia stałego 12V na napięcie zmienne 220V — za pomocą „falownika”.

Jednostka sterująca umożliwia również monitorowanie i sterowanie procesem ładowania akumulatorów, mocą generatora elektrycznego itp.

Różnorodne opcje wykończenia nowoczesnych farm wiatrowych, zarówno do użytku przemysłowego, jak i tych stosowanych w sektorze prywatnym, pozwalają wybrać każdemu, najbardziej optymalną opcję dla każdego użytkownika.

W tej chwili najbardziej rozpowszechnione na świecie są generatory wiatrowe typu łopatkowego, których osie obrotu łopatek są równoległe lub poziome do kierunku przepływu powietrza. Zasadniczo o tych turbinach wiatrowych porozmawiamy później.

Łopata farmy wiatrowej o poziomej osi obrotu

Sprawność wykorzystania energii wiatru dla tego typu turbin wiatrowych sięga 48%, czyli jest znacznie wyższa niż w przypadku generatorów karuzelowych. Ten typ generatorów wiatrowych może być z dwoma lub trzema łopatami.

Tutaj najbardziej wydajną pracę urządzenia uzyskuje się, gdy wiatr jest skierowany prostopadle do płaszczyzny obrotu łopat generatora. Dlatego nawet konstrukcyjnie ten typ „turbiny wiatrowej” ma urządzenie, które umożliwia automatyczny obrót generatora prostopadle do kierunku wiatru. Produkcja energii tego typu farmy wiatrowej zależy bezpośrednio od prędkości wiatru (jego ciśnienia), a także od średnicy i powierzchni łopat samej turbiny wiatrowej.

Karuzelowe lub obrotowe farmy wiatrowe

Ten typ turbiny wiatrowej ma pionową oś obrotu, na której zamontowane jest i zamocowane koło, które odbiera powierzchnie dla wiatru. Istotną zaletą tego typu farm wiatrowych jest to, że mogą pracować bez zmiany swojego położenia – w dowolnym kierunku przepływu powietrza. Tego typu turbiny wiatrowe są wolnobieżne i ciche, a wielobiegunowe generatory elektryczne o niskiej prędkości są wykorzystywane jako generatory do generowania energii.

Nowoczesna farma wiatrowa z poziomą i pionową osią obrotu

Inne rodzaje nowoczesnych farm wiatrowych

Ponadto bardzo niedawno pojawiły się najnowsze osiągnięcia w zakresie turbin wiatrowych z zasadniczo nowymi konstrukcjami, które konstrukcyjnie składają się z trzyłożyskowej podstawy umieszczonej na mocnym fundamencie. Na podstawie osadzony jest generator w kształcie pierścienia z wbudowanym łożyskiem i centralnym wirnikiem. Pierścień takiego generatora może mieć ponad 100 metrów średnicy. Takie farmy wiatrowe są wykorzystywane do przemysłowej produkcji energii.

Funkcjonują również farmy wiatrowe, składające się z kilkudziesięciu małych turbin wiatrowych – modułów, połączonych konstrukcyjnie w jeden system debugowania do wytwarzania energii elektrycznej.

Niedawno amerykańscy specjaliści opracowali i wprowadzili do produkcji przemysłowej małą turbinową elektrownię wiatrową „Windgate” przeznaczoną dla sektora prywatnego. Koło turbiny osiąga średnicę 1,8 metra i obraca się wokół poziomej osi. Na końcach łopatek takiej instalacji turbinowej znajdują się magnesy trwałe, w wyniku czego faktycznie mamy duży wirnik - obracający się w integralnej obudowie stojana instalacji. Takie generatory wiatrowe Windgate można zainstalować nawet na dachu prywatnego domu lub domku i są bardzo wydajne, a ich cena to około 4,5-5 tysięcy dolarów amerykańskich.

Wniosek

Należy zauważyć, że konstrukcja elektrowni wiatrowych jest ciągle udoskonalana, a co za tym idzie poprawiają się ich parametry technologiczne, aerodynamika, a co najważniejsze cena tych ekologicznie czystych bloków energetycznych przyszłości jest coraz mniej „gryząca” dla zwykłego konsumenta.