W zależności od dostępnych zasobów wiatru, turbina może zmniejszyć rachunki za prąd o 50–90%, pomóc uniknąć wysokich kosztów doprowadzania linii energetycznych w odległe miejsca, zapobiec przerwom w dostawie prądu, a przede wszystkim – jest przyjazna dla środowiska.
W tym artykule poznamy podstawy dotyczące turbin wiatrowych – ich typy, rozmiary, wydajność, zalety i wady, sposób działania, instalację, konserwację, pierścienie ślizgowe. Każdy rozdział zawiera opis badań i kompleksową analizę omawianych zagadnień.
Turbiny wiatrowe wymagają stabilnej transmisji energii i sygnałów danych od gondoli aż do sekcji sterującej łopatami wirnika. Pierścienie ślizgowe zapewniają wydajność i niezawodność wymaganą w trudnych warunkach środowiskowych.
Kosztowne przestoje turbin wiatrowych można ograniczyć poprzez zastosowanie szczotek z włókien oraz trwałych materiałów w konstrukcji pierścieni ślizgowych.
Zalety pierścieni ślizgowych:
- Mogą działać w różnych temperaturach
- Charakteryzują się wysoką niezawodnością
- Nie wymagają regularnych przeglądów
- Nie wymagają smarowania
- Wytwarzają minimalne zanieczyszczenia zużyciem
Czym jest turbina wiatrowa?
Turbiny wiatrowe są nowoczesną modyfikacją tradycyjnych wiatraków, popularnych w XIX wieku. Ich celem jest ograniczenie zależności od paliw kopalnych i wytwarzanie energii w sposób odnawialny oraz przyjazny środowisku.
Fakty o turbinach wiatrowych
Turbiny wiatrowe wykorzystują energię kinetyczną wiatru, która porusza łopaty, obracając silnik przekształcający energię kinetyczną w mechaniczną, a następnie w elektryczną.
Mówiąc prościej – turbina działa odwrotnie niż wentylator: zamiast używać prądu do poruszania powietrzem, używa wiatru do wytwarzania prądu.
Zastosowania turbin wiatrowych
Od wieków ludzie wykorzystują siłę wiatru – od wiatraków w Holandii po rancza w USA, gdzie służyły do pompowania wody i mielenia zboża. Dziś ich współczesna forma – turbina wiatrowa – produkuje energię elektryczną.
Turbiny buduje się na wieżach, aby uchwycić więcej energii kinetycznej. Na wysokości 30 metrów wiatr jest silniejszy i bardziej stabilny. Zazwyczaj turbina ma 2–3 łopaty tworzące wirnik.
Łopaty działają jak skrzydła samolotu – różnica ciśnienia nad i pod nimi powoduje ruch obrotowy, który napędza generator.
Turbiny mogą działać samodzielnie (off-grid) lub być połączone z siecią energetyczną. W zastosowaniach przemysłowych buduje się całe farmy wiatrowe, które dostarczają energię do sieci.
Energia odnawialna z wiatru
Energia wiatru jest jednym z najdynamiczniej rozwijających się źródeł odnawialnych. Na świecie jej instalowana moc wzrosła z 7,5 GW w 1977 roku do 574 GW w 2018 roku.
W latach 2009–2013 produkcja energii z wiatru podwoiła się, a w 2016 roku stanowiła 16% całej energii odnawialnej.
Nowoczesne turbiny osiągają moc od 2 MW (na lądzie) do 5–8 MW (na morzu).
Czynniki wpływające na produkcję energii z wiatru
Najważniejsze czynniki:
- prędkość wiatru,
- gęstość powietrza,
- średnica łopat.
Większa prędkość wiatru = więcej energii. Zbyt silny wiatr może jednak uszkodzić turbinę, dlatego stosuje się prędkości graniczne (cut-in i cut-out).
Gęstsze powietrze (zimniejsze, pod większym ciśnieniem) daje wyższą wydajność.
Większe łopaty przechwytują więcej energii, ale wymagają więcej miejsca i mocniejszych wiatrów.
Co się dzieje, gdy wiatr nie wieje?
Turbiny produkują energię tylko, gdy wieje wiatr. Gdy wiatr ustaje, energię dostarczają inne źródła – np. gaz lub hydro. Nie ma źródła energii, które działa bez przerwy – nawet elektrownie jądrowe czasem ulegają przestojom. Dlatego energia wiatrowa najlepiej współpracuje z hydroenergią.
Główne części turbiny wiatrowej
- Fundament – łączy wieżę z podłożem, zwykle z betonu zbrojonego stalą.
- Wieża – największa i najcięższa część (50–150 m wysokości). Im wyższa, tym lepsze warunki wiatrowe.
- Wirnik – zbiera energię wiatru i przekazuje ją do układu napędowego.
- Gondola (nacelle) – zawiera przekładnię, wał i generator. Obraca się, aby ustawić turbinę w kierunku wiatru.
Wnętrze turbiny wiatrowej
- Anemometr – mierzy prędkość wiatru.
- Łopaty – poruszają się pod wpływem wiatru.
- Hamulce – zatrzymują wirnik w razie awarii.
- Sterownik – włącza i wyłącza turbinę w zależności od prędkości wiatru.
- Przekładnia (gearbox) – zwiększa prędkość obrotową z 30–60 rpm do 1000–1800 rpm.
- Generator – wytwarza energię elektryczną.
- Wał niskiej i wysokiej prędkości – przekazuje moc z łopat do generatora.
- Układ skrętu (yaw) – ustawia turbinę w kierunku wiatru.
Typy, rozmiary i wydajność turbin wiatrowych
Typy turbin
Poziomej osi (Horizontal Axis Turbines) – najczęstsze, łopaty skierowane w stronę wiatru.
- Lądowe (On-shore)
- Morskie (Off-shore)
- Nabrzeżne (Near-shore)
Pionowej osi (Vertical Axis Turbines) – łopaty pionowe, wszystkie elementy przy ziemi.
- Darrieus (Eggbeater)
- Giromill
- Savonius
- Twisted Savonius
Kanałowe (Ducted Turbines) – montowane na krawędziach budynków, wykorzystują przepływ powietrza wzdłuż ścian.
Rozmiary turbin
Turbiny wiatrowe można podzielić na trzy główne grupy pod względem mocy, średnicy wirnika i wysokości wieży:
Turbiny domowe mają moc do około 20–50 kW, średnicę wirnika od 1 do 15 metrów i wysokość wieży w zakresie 15–40 metrów. Wykorzystuje się je głównie w gospodarstwach domowych, rolniczych lub małych obiektach usługowych, gdzie mogą pokryć znaczną część zapotrzebowania na energię elektryczną.
Turbiny średniej mocy osiągają od 50 kW do 1 MW, przy średnicy wirnika wynoszącej 15–50 metrów i wysokości wieży 30–80 metrów. Są stosowane w małych farmach wiatrowych, zakładach przemysłowych i na terenach, gdzie dostępne są umiarkowane zasoby wiatru.
Turbiny komercyjne charakteryzują się mocą od 1 MW do ponad 10 MW, średnicą wirnika w przedziale 80–180 metrów i wysokością wieży sięgającą nawet 150 metrów. Takie jednostki stosuje się w dużych farmach wiatrowych — zarówno lądowych (onshore), jak i morskich (offshore) — przeznaczonych do produkcji energii na skalę przemysłową i przyłączanych bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej.
Wydajność turbin
Wydajność to stosunek energii uzyskanej do dostępnej. Teoretyczne maksimum to limit Betza – 59,3%, w praktyce turbiny osiągają ok. 80% tego limitu.
Zalety i wady turbin wiatrowych
Zalety turbin poziomych
- Stabilność dzięki położeniu środka ciężkości
- Możliwość regulacji łopat (pitch control)
- Wysokie wieże – dostęp do stabilnych wiatrów
Wady
- Wysokie koszty transportu i montażu
- Trudny serwis
- Zakłócenia radarowe
Zalety turbin pionowych
- Tanie w utrzymaniu
- Łatwe w montażu
- Nie wymagają ustawiania w kierunku wiatru
Wady
- Mniejsza efektywność
- Trudny start
- Działają tylko przy silnym wietrze
Zalety turbin kanałowych
- Mały wpływ wizualny
- Montaż na dachach
- Produkcja energii na miejscu
Wady
- Tylko dla wysokich budynków
- Wymagają precyzyjnych badań wstępnych
Jak działają turbiny wiatrowe
1.Wiatr porusza łopatami.
2.Łopaty napędzają wał i przekładnię.
3.Przekładnia zwiększa prędkość obrotową.
4.Generator przekształca energię mechaniczną w elektryczną.
5.Anemometr i wiatrowskaz monitorują warunki.
6.Układ skrętu ustawia turbinę w kierunku wiatru.
7.Energia trafia do transformatora, a następnie do sieci.
Instalacja turbin wiatrowych
Etapy instalacji:
1. Przygotowanie fundamentu
2. Wykopanie rowów kablowych
3. Budowa wieży i montaż turbiny
4. Okablowanie i podłączenie inwertera
5. Połączenie z siecią
6. Testy końcowe i uruchomienie
Konserwacja turbin
Regularne smarowanie przedłuża żywotność elementów.
Nowoczesne systemy automatycznego smarowania zmniejszają koszty i ryzyko awarii.
Przyszłość turbin wiatrowych
Energia wiatrowa to jedno z najbardziej obiecujących źródeł ograniczania emisji CO₂.
Szczególnie dynamicznie rozwija się energia z turbin morskich (offshore).
Prowadzone są badania nad małymi, przenośnymi turbinami dla gospodarstw domowych.
Podsumowanie
Energia wiatrowa to czyste i odnawialne źródło, które zyskuje na popularności dzięki nowoczesnej technologii i spadającym kosztom.
Mimo pewnych wyzwań (np. kolizje ptaków, hałas, wpływ wizualny), innowacje takie jak turbiny bezłopatkowe mogą je przezwyciężyć.
Elementy takie jak pierścienie ślizgowe odgrywają kluczową rolę w niezawodnej pracy turbin wiatrowych, a ich odpowiedni dobór znacząco wpływa na trwałość i efektywność całego systemu.
Dodaj komentarz