Farmy wiatrowe - rozwiązanie dla energetyki lokalnej (cz. 2)

prof. Andrzej Chochowski
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie

Klasyczny układ, najczęściej obecnie produkowanych turbin, to pozioma oś obrotu o trzech łopatach. W eksploatacji znajdują się jeszcze rozwiązania jedno, dwułopatowe, które mimo pewnych zalet (ograniczenie masy wirnika), posiadają istotną wadę – są źródłem większego hałasu. Dlatego te konstrukcje stały się mniej popularne i są raczej zanikające. Im większa liczba łopat tym większy moment startowy wirnika turbiny. Rozwiązanie z 3 łopatami jest kompromisem między wydajnością a trwałością turbiny. Łopaty o długości 20-40 m wykonane z włókien szklanych lub węglowych montowane są na wale, który zazwyczaj jest połączony ze skrzynia biegów i generatorem. Elementy te umieszczone są w gondoli mocowanej do wieży o wysokości 40-100 m wykonanej ze stali lub żelbetowej. Gondola instalowana na szczycie wieży obraca się tak, by jak najkorzystniej ustawić wirnik do kierunku wiatru. Bardzo ważnym elementem konstrukcyjnym turbiny są łożyska wirnika, które determinują trwałość siłowni.

Turbiny wiatrowe

Podział turbin wiatrowych uwzględnia także ustawienie wirnika na wieży względem wiejącego wiatru: up-wind – przed wieżą, down-wind – za wieżą (rzadziej stosowany, ze względu na straty spowodowane częściowym zacienieniem wirnika przez konstrukcję wieży). Turbiny mogą być z przekładnią (konstrukcje firm: Vestas, GE Energy, Nordex) lub bezprzekładniowe (Enercon).

W latach 70-tych ubiegłego wieku opracowano konstrukcję turbiny o osi poziomej wyposażonej dodatkowo w dyfuzor, w którym umieszczono wirnik turbiny. Dyfuzor to odcinek rury o zmiennej średnicy, wywołujący przy wewnętrznym przepływie powietrza zmiany podciśnienia. Szczelina w dyfuzorze, znajdująca się za wirnikiem, dodatkowo wywołuje przyrost prędkości powietrza przepływającego przez wirnik, co podnosi sprawność siłowni. Takie rozwiązania dobrze sprawdzają się wykorzystując wiatry nadmorskie (inwestycje off-shore). Budowane konstrukcje osiągają moc 3,5 MW i mają wydajność znacznie większą niż turbina tych samych rozmiarów, ale bez dyfuzora.

Ze względu na zmienną prędkość obrotową wirnika turbiny w farmie wiatrowej, uzależnioną od prędkości wiatru, ważnym zagadnieniem jest właściwy dobór generatora elektrycznego i układu sterującego. Typ zastosowanego generatora zależy od wielkości siłowni wiatrowej i celu jakiemu ma ona służyć. Wyróżnia się dwa rozwiązania: siłownia-elektrownia pracująca na sieć wydzieloną (autonomiczna) oraz elektrownia przyłączona do sieci energetyki zawodowej, oddająca energię do systemu elektroenergetycznego.

Siłownie autonomiczne pracujące na własną sieć wyizolowaną od systemu są całkowicie niezależnymi źródłami energii, w których stosowane są prądnice prądu stałego lub małe trójfazowe prądnice z magnesami trwałymi (o małych mocach rzędu kilowatów). Pracują one przy zmiennej prędkości obrotowej. Układy takie zawierają najczęściej baterię akumulatorów do gromadzenia energii, regulatory napięcia, falowniki do inwersji prądu stałego na jedno- lub trójfazowy. Elektrownie wiatrowe z prądnicą prądu stałego wymagają zastosowania regulatora napięcia oraz akumulatorów do gromadzenia energii (rys.2a), a dodatkowo falownika, aby uzyskać prąd zmienny (rys.2b).

Rys.2. Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych:
a – na obwód prądu stałego DC ; b – na obwód prądu zmiennego AC.

Ponieważ prędkość obrotowa turbin wiatrowych elektrowni autonomicznych zmienia się wraz ze zmianami prędkości wiatru, nie mogą one zapewnić napięcia zmiennego o odpowiedniej częstotliwości (50Hz) i stałej wartości amplitudy. Dlatego dla uzyskania odpowiednich parametrów napięcia zmiennego muszą mieć pośredni obwód prądu stałego i falownik.

W elektrowniach lub farmach wiatrowych (kilka siłowni) pracujących na potrzeby energetyki zawodowej najczęściej jako generator wykorzystywana jest prądnica asynchroniczna, chociaż niektóre firmy preferują generatory synchroniczne. Dość powszechne stosowanie maszyn asynchronicznych wynika z prostej ich konstrukcji, możliwości zastosowania nieskomplikowanego układu sterowania oraz niskich kosztów inwestycyjnych i operacyjnych.

Rys. 3. Schemat blokowy elektrowni wiatrowej pracującej w systemie elektroenergetycznym

Energia elektryczna produkowana w takich elektrowniach wiatrowych musi mieć takie same parametry (częstotliwość i napięcie) jak sieć, z którą współpracuje. Zwykle prędkość obrotowa turbiny utrzymywana jest na stałym poziomie, ale stosowane są też układy pracujące ze zmienną skokowo prędkością obrotową. Dla zwiększenia rocznej produkcji energii stosowane są generatory o przełączanej (regulowanej dwu rzadziej trzy stopniowo) liczbie par biegunów. Daje to możliwość pracy przy różnych prędkościach obrotowych generatora. Mogą tez być stosowane dwa oddzielne generatory, z których jeden pracuje przy dużych prędkościach wiatru, zaś drugi przy słabszych wiatrach.

Literatura

1. Woś A.: Klimat Polski. Wyd. PWN Warszawa 1999
2. Lubośny Z.: Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. Wyd. WNT Wrszawa 2007
3. Ustawa Prawo energetyczne z dnia 10 kwietnia 1977 roku, dz.u. 1997 nr 54 poz.348, nowelizacja dz.u. 2005r. nr. 62 poz.552
4. Pakiet informacyjny dla przedsiębiorstw  zamierzających prowadzić działalność gospodarczą polegającą na wytwarzaniu energii elektrycznej w odnawialnych źródłach energii. URE Warszawa, październik 2006
5. Polityka Energetyczna Polski do 2025 roku. Rozp. Min. Gospodarki  z dnia 1 lipca2005
6. Praca zbiorowa: Perspektywy produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w Rolniczych Zakładach Doświadczalnych SGGW. SGGW Warszawa czerwiec 2007r.