Farmy wiatrowe - rozwiązanie dla energetyki lokalnej (cz. 3)

prof. Andrzej Chochowski
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie

Stosowanie szybkoobrotowych generatorów asynchronicznych wymusza stosowanie przekładni między maszyną a kołem wiatrowym (wirnikiem turbiny wiatrowej) wirującym z prędkością nie większą niż 40 obr/min. Ta stosunkowo mała prędkość wirnika wynika przede wszystkim z potrzeby optymalizacji pracy elektrowni, czyli potrzeby maksymalizacji mocy uzyskiwanej ze strumienia wiatru. Efekt taki otrzymuje się dla kół wiatrowych z trzema łopatami, przy wyróżniku szybkobieżności (definiowanym jako stosunek prędkości liniowej końca łopaty do prędkości wiatru) równym 7. Pomimo względnie małej prędkości kątowej koła wiatrowego koniec łopaty wirnika osiąga bardzo duże prędkości liniowe, często większe niż 60 m/s (216 km/h) w stanie pracy ustalonej i jeszcze większe w stanach przejściowych.

Elektrownie wiatrowe z generatorami asynchronicznymi i synchronicznymi są zazwyczaj  wyposażone w system, który umożliwia regulowanie mocy uzyskiwanej ze strumienia wiatru lub prędkości koła wiatrowego. Są to następujące systemy:

• Pasywna regulacja przez przeciągnięcie (stall controlled). Przy pasywnej regulacji typu "stall" łopaty są przymocowane do piasty przy stałym kącie. Geometria profilu łopaty jest tak dopracowana aerodynamicznie, że w momencie, gdy wiatr staje się zbyt silny, zapewnia powstanie turbulencji na części łopaty, które ograniczają moment napędowy wirnika. Płaty są zaprojektowane tak, że stan przeciągnięcia postępuje od osi obrotu płata. Im większa jest prędkość wiatru, tym większa część płata jest w stanie utykania. Przyglądając się bliżej łopacie wirnika dostosowanego do tego typu regulacji można zauważyć, że jest ona charakterystycznie skręcona. Robi się to między innymi po to, aby wirnik ulegał przeciągnięciu stopniowo i nie reagował gwałtownie przy silniejszych podmuchach. Najbardziej oczywistą zaletą regulacji "stall" jest brak skomplikowanego mechanizmu regulacji kąta ustawienia łopat i całego układu kontroli z tym związanego. Z drugiej strony tego typu regulacja wiąże się z projektowaniem niezwykle złożonego aerodynamicznie płata. Dużym wyzwaniem jest też struktura całej elektrowni, która musi znosić drgania związane z turbulencją. Około dwie trzecie turbin na świecie posiada tego typu regulacje.
• Regulacja przez ustawienia kąta łopat (pitch controlled). W elektrowniach z regulacją typu "pitch", elektroniczny kontroler turbiny sprawdza moc wyjściową kilka razy na sekundę. Kiedy staje się ona zbyt wysoka, wysyła sygnał do mechanizmu ustawienia kąta łopat, który natychmiast koryguje ich kąt aby zmniejszyć moment napędowy wirnika. Kiedy wiatr słabnie ma miejsce sytuacja dokładnie odwrotna. Łopaty wirnika muszą zatem posiadać możliwość obrotu wokół własnej osi (regulacji kąta natarcia). Układy regulacji typu "pitch" wymagają niezwykle zaawansowanych technologii, aby mieć pewność że kąt natarcia łopat jest dokładnie dostosowany do warunków wiatrowych. Komputer będzie przestawiał łopatę o kilka stopni za każdym razem gdy zmieni się prędkość wiatru, tak aby utrzymać stałą moc wyjściową. Mechanizm regulacji kąta natarcia jest zazwyczaj realizowany za pomocą siłowników hydraulicznych umieszczonych w piaście wirnika.
• Aktywna regulacja przez przeciągnięcie (active stall controlled). Technicznie przypomina ona regulację typu "pitch", ponieważ także wykorzystuje regulację kąta natarcia łopat. Różnice można zauważyć w momencie, gdy generator ulega przeciążeniu, wtedy mechanizm przestawia łopaty w odwrotnym kierunku niż w regulacji "pitch". Innymi słowy wzrasta kąt natarcia łopaty, aby wprowadzać ją w stan coraz głębszego przeciągnięcia, aby w ten sposób wytracić nadmiar energii wiatru, który mógłby uszkodzić turbinę. Korzyścią z aktywnej kontroli typu "stall" jest możliwość większej dokładności kontroli mocy wyjściowej niż przy regulacji pasywnej, co umożliwia uniknięcie przekroczenia mocy znamionowej generatora przy nagłych podmuchach wiatru. Kolejną korzyścią jest możliwość pracy z mocą bardzo zbliżoną do znamionowej przy wysokich prędkościach wiatru. Przy regulacji pasywnej następuje wtedy spadek produkcji mocy, gdyż łopaty wchodzą w coraz większe przeciągnięcie.

W zależności od mocy generatora może być on przyłączany do sieci niskiego napięcia (przy mocach do kilkunastu kW), większe jednostki (do kilkudziesięciu kW) do sieci średniego napięcia, a duże (1-2 MW) do sieci wysokiego napięcia (110 kV). W czasie rozruchu generatory włączane są do sieci przez układy tyrystorowe, które po dokonanym rozruchu są bocznikowane stycznikami. Generator asynchroniczny nie posiadając własnego wzbudzenia, umożliwiającego przetwarzanie energii kinetycznej ruchu obrotowego turbiny wiatrowej w energię elektryczną, musi pobierać prąd wzbudzenia z sieci. Gdy generator pobiera prąd wzbudzenia z sieci staje się odbiornikiem mocy bierną indukcyjnej. W celu ograniczenia poboru energii biernej indukcyjnej do generatora jest przyłączona bateria kondensatorów kompensująca moc bierną. Rozruch takiego generatora jest analogiczny jak silnika asynchronicznego i w chwili włączania go do sieci pobiera bardzo duży prąd rozruchowy mogący powodować zakłócenia w tej sieci. Aby uniknąć takich zakłóceń, generator jest włączany za pośrednictwem układów energoelektronicznych. Odłączanie takiego generatora od sieci też musi się odbywać z wykorzystaniem łącznika tyrystorowego wygaszającego przepływ prądu. Wynikiem działania takiego układu jest łagodniejsze dołączanie i odłączanie od sieci, ograniczające zakłócenia.

Odmienną, nowatorską w stosunku do wszystkich dotychczasowych rozwiązań, koncepcję budowy siłowni wiatrowych, w której wirnik sprzęgnięty jest bezpośrednio ze specjalnym pierścieniowym generatorem prądu przemiennego, oferuje firma ENERCON. Rozwiązanie to zastosowano już w całym produkowanym typoszeregu siłowni o mocach od 30 do 1500 kW. Istota zastosowanego rozwiązania polega na konstrukcji specjalnego, generatora prądu przemiennego z wirnikiem pierścieniowym o dużej średnicy, który przy małych nawet prędkościach wiatrów pozwala na osiąganie optymalnych sprawności. Stojan generatora jest zabudowany w ramie agregatu prądotwórczego, natomiast bezpośrednio sprzęgnięte ze sobą wirniki: łopatowy i prądnicy są ułożyskowane na nieruchomym czopie stanowiącym element ramy. Rozwinięcie powierzchni zewnętrznych stojana sprzyja dobremu odprowadzaniu ciepła, jakie powstaje w czasie pracy generatora i dzięki specjalnej technologii przygotowania uzwojeń utrzymuje ich temperaturę na niskim poziomie. Układ regulacji kąta natarcia łopat, którego wielkość decyduje o obrotach wirnika, składa się z trzech niezależnie działających, synchronicznych napędów elektrycznych. Służą one do optymalizacji ustawienia płatów wirnika w dostosowaniu do prędkości i siły wiatru. W razie potrzeby każdą z łopat można też ustawiać indywidualnie.

Opracowany przez ENERCOM elektroniczny system dostrajania obrotów wirnika do siły wiatru umożliwia nie tylko lepsze odzyskiwanie jego energii, ale zapewnia dostosowanie chwilowych częstotliwości wytwarzanego prądu do warunków dyktowanych przez sieć energetyczną. Łopaty wirnika są wykonane z żywic epoksydowych, które znacznie lepiej znoszą duże obciążenia niż żywice poliestrowe wzmacniane włóknem szklanym. Materiał ten dobrze utrzymuje kształt profilu łopat, mniej nasiąka wilgocią i wykazuje większą trwałość. Powłokowa struktura łopat nie tylko nadaje im lekkość, ale sprawia że są elastyczne. Przy gwałtownych porywach wiatru łagodzi to chwilowe obciążenia wirnika i wieży. Nowością jest zastosowany system ogrzewania łopat (wprowadzany na zamówienie), który sprawdził się w warunkach atmosferycznych sprzyjających oblodzeniu płatów. Badania tradycyjnych łopat płaskich wskazały ich niedoskonałości. W płaszczyźnie wirowania końców łopat płaskich dochodzi do odrywania się strugi powietrza i do turbulencji. Dlatego w celu zwiększenia nośności płatów odgięto końce łopat i nadano im bardziej opływowe kształty podcinając tylne krawędzie (analogicznie jak w skrzydłach samolotów). Ma to na celu optymalne wyzyskanie siły wiatru. Łopaty stały się nie tylko bardziej odporne na brud i turbulencje, lecz co ważne, pracują ciszej. Pomierzona hałaśliwość siłowni E - 66 o mocy 1,5 MW wyposażonej w łopaty o tym profilu jest mniejsza od hałaśliwości dotychczasowych rozwiązań. Nowe ukształtowanie profilu zwiększyło też trwałość łopat. Ograniczenie bowiem wielkości chwilowego naporu porywów wiatru wpłynęło radykalnie na odciążenie końców. Przed uderzeniem piorunów chroni siłownię instalacja odgromowa, w którą jest wyposażona każda z łopat, a do ustawiania wirnika "pod wiatr" służą odrębne silniki elektryczne.

Nad prawidłowością przebiegu optymalnego wykorzystania siły wiatru czuwa system regulacji sterowany mikroprocesorem. W układzie tym informacje pochodzące od czujników przekazujących dane o chwilowym kierunku i prędkości wiatru przetwarzane są na dyspozycje co do ustawienia gondoli i wyboru kąta natarcia łopat, który to kąt decyduje o obrotach wirnika i optymalnym wyzyskaniu energii wiatru. Zestrajanie chwilowych częstotliwości - zmiennych w wyniku zróżnicowanych obrotów wirnika (10 - 20,3 min-1) - z częstotliwością sieci energetycznej, odbywa się za pomocą przetwornicy częstotliwości. System ten funkcjonuje sprawnie w przedziale prędkości wiatru od 2,5 m/s do 13 m/s. W przypadku porywów gwałtownych, system wspomaga układ hamulców mechanicznych, działających bezpośrednio na wirnik generatora. Zaletą siłowni, w których multiplikację obrotów wirnika za pomocą przekładni zastąpiono generatorem asynchronicznym pierścieniowym, jest prostsza budowa, eliminacja oleju i chłodnic, a także cichsza praca i mniejsze nakłady na utrzymanie ruchu. Do wad natomiast należy zaliczyć większy ciężar i wyższą cenę.

W dostosowaniu do konfiguracji terenu i znanej średnio-rocznej prędkości wiatru występującej na obszarze typowanym na budowę elektrowni (lub zespołu elektrowni), dobiera się jej parametry tak, by dostosować ją w sposób optymalny do panujących tam warunków. Dotyczy to doboru średnic wirników i wysokości wieży. Dla zrównoważenia bardzo dużych momentów, jakie wywołuje siła nacisku wiatru na wirnik usytuowany na wierzchołku wieży, jej fundamenty sięgają niekiedy 20 m głębokości. Przez fundamenty te przeprowadza się połączenia kablowe. Wieże o wysokości sięgającej niekiedy 90-100 m są wzmacnianymi odpowiednio stalowymi rurami. W strefie przyziemia umieszcza się w nich transformatory, rozdzielnie średnich napięć i szafy sterowania pracą elektrowni. Wnętrze wieży, zwłaszcza tych dużych, bywa wykorzystywane na zabudowę pomieszczeń serwisowych i remontowych.

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.