Jeśli jesteś tu, aby zrozumieć, jak działa wiatrak do produkcji energii, to pomożemy najlepiej jak umiemy. Przejdziemy przez to, co skrywa w sobie budowa turbiny wiatrowej. Poznamy rodzaje turbin wiatrowych odpowiedzialnych za powstanie energii wiatrowej. Dowiemy się też, jak wygląda budowa elektrowni wiatrowych w Electrum i nasze największe farmy wiatrowe.
Ludzie szukają coraz więcej informacji na temat tego, jaką turbiny wiatrowe odgrywają rolę w dzisiejszym miksie energetycznym. Patrząc na dane za ostatni rok, nic dziwnego, że energetyka wiatrowa wzbudza coraz większe zainteresowanie.
Zgodnie z raportem przygotowanym przez Global Wind Energy Council, „Global Wind Report 2024”, w 2023 roku odnotowano największą w historii liczbę nowych instalacji turbin na lądzie (łącznie ponad 100 GW) oraz drugą co do wielkości dla turbin morskich (11 GW)! Przekroczyliśmy symboliczny kamień milowy 1 TW zainstalowanej mocy na całym świecie i, przy obecnym tempie, spodziewamy się osiągnąć 2 TW przed 2030 rokiem. Wiatrak jako źródło energii elektrycznej będzie zyskiwał na znaczeniu z zawrotną prędkością. Czas budować elektrownie!
Jeśli interesuje Cię usługa budowa farm wiatrowych, sprawdź: Budowa farm wiatrowych
Zasada działania wiatraka do produkcji energii wiatrowej
Jak powstaje energia wiatrowa? Wiatraki, czyli turbiny wiatrowe, przekształcają wiatr w energię mechaniczną, a następnie w energię elektryczną. Proces ten zaczyna się od wirnika, który obraca się pod wpływem wiatru. Wytworzona w ten sposób energia mechaniczna jest następnie przekazywana do generatora wiatrowego, który przekształca ją w energię elektryczną.
Kluczowym elementem w wydajności turbin wiatrowych są łopaty turbiny, które muszą być odpowiednio zaprojektowane, aby maksymalnie wykorzystać dostępny wiatr.
Typy turbin mogą się różnić w zależności od zastosowania, mocy oraz konstrukcji. Najczęściej rodzaje turbin wiatrowych dzieli się na turbiny o osi pionowej i turbiny o osi poziomej.
Historia turbin wiatrowych
Historia turbin wiatrowych sięga starożytności – wtedy pierwsze wiatraki były używane do mielenia ziarna i pompowania wody. Współczesne turbiny zaczęły się rozwijać w XX wieku, przechodząc od małych jednostek na farmach do ogromnych instalacji odpowiedzialnych za powstanie energii wiatrowej na dużą skalę.
Pierwsza turbina wiatrowa, która została zaprojektowana do generowania energii elektrycznej, została zbudowana przez Charlesa F. Brusha w 1887 roku w Cleveland (Ohio, USA). Turbina ta była ogromnym, 18-metrowym wiatrakiem z drewnianymi łopatami i miała moc 12 kW. To pierwsza w historii próba wykorzystania energii wiatru do produkcji elektryczności na większą skalę.
Większe znaczenie dla rozwoju technologii miała turbina zaprojektowana przez duńskiego wynalazcę Poul la Coura w 1891 roku. La Cour zbudował kilka turbin w Danii i prowadził badania nad wykorzystaniem energii wiatru do produkcji wodoru, który następnie był wykorzystywany jako źródło energii. La Cour jest uważany za jednego z pionierów w dziedzinie technologii wiatrowych.
W historii energii wiatrowej odnawialnej ważny jest też 1941 rok. Wtedy w USA zbudowano turbiny Smith-Putnam o mocy 1,25 MW, które były pierwszymi turbinami wiatrowymi używanymi na skalę przemysłową.
Rozwój technologii takich jak turbiny wolnobieżne i turbiny średniobieżne czy turbiny morskie, znacząco zwiększył wydajność współczesnych turbin.
Budowa turbiny wiatrowej
Jeśli chodzi o budowę turbiny wiatrowej, skupimy się na jej najważniejszych elementach. Wśród nich wyróżniamy łopaty, rotor, maszt i gondolę.
Gondola to obudowa, w której znajdują się wszystkie kluczowe komponenty mechaniczne i elektryczne będące swoistym „sercem” wiatraka. Elementy te są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania turbiny i obejmują m.in.
- Generator wiatrowy z inwerterem, który przekształca energię mechaniczną na energię elektryczną.
- Układ chłodzenia obejmujący wentylatory i systemy chłodzenia cieczą, które zapewniają odpowiednią temperaturę pracy generatora i innych składowych.
- Systemy sterowania i monitoringu, czyli komputery i układy elektroniczne, które zarządzają pracą turbiny, monitorują jej stan oraz przesyłają dane do centrum kontrolnego.
- Transformator, który przekształca napięcie generowane przez generator na napięcie odpowiednie do przesyłu energii do sieci.
Rotor to część turbiny z łopatami, które są odpowiedzialne za przechwytywanie energii wiatru.
Tym, co podtrzymuje gondolę i rotor na odpowiedniej wysokości, pozwalając na efektywne wykorzystanie wiatru, jest maszt. Maszt jest umieszczany w odpowiednio przygotowanym fundamencie.
Łopaty turbiny mogą być ustawione na dwóch osiach – najczęściej występującej poziomej osi albo mniej spotykanej pionowej osi.
Wiatrowe turbiny z osi poziomej charakteryzują się większą efektywnością przy stałych kierunkach wiatru. Dominują w dużych farmach wiatrowych na otwartych przestrzeniach.
W konstrukcjach z osi pionowej, łopaty wirnika obracają się wokół pionowej osi, co pozwala na lepsze wykorzystanie wiatru niezależnie od jego kierunku. Przykładem takiego wiatraka jest turbina Darrieusa. Turbiny wiatrowe pionowe coraz częściej pojawiają się w przestrzeniach miejskich ze względu na ich kompaktowy design.
Fundament turbiny wiatrowej
Fundament turbiny wiatrowej to najważniejszy dla stabilności element całej konstrukcji. Fundamenty są dostosowywane do warunków geologicznych i obciążeniowych danej lokalizacji. Najczęściej stosuje się fundamenty betonowe, choć w przypadku turbin offshore (turbiny morskie) często używa się fundamentów palowych. Fundamenty polowe składają się z wielu pionowych elementów nośnych (tzw. pali), które są wbijane lub wwiercane głęboko w ziemię.
Odpowiedni fundament niesie za sobą bezpieczeństwo konstrukcji i trwałość turbiny, co jest kluczowe w efektywnej eksploatacji elektrowni wiatrowych.
Wysokość turbiny wiatrowej
Wysokość turbiny to kolejny z kluczowych czynników wpływający na jej wydajność. Najwyższe turbiny wiatrowe osiągają wysokość przekraczającą 200 metrów, co pozwala im na wykorzystanie silniejszych i bardziej stabilnych wiatrów, tym samym na generowanie większej ilości energii.
Generalnie im wyżej, tym silniejszy jest wiatr. Zjawisko to wynika z faktu, że wiatry na większych wysokościach są mniej narażone na opory związane z ukształtowaniem terenu, roślinnością i innymi przeszkodami. W rezultacie, prędkość wiatru zazwyczaj wzrasta wraz z wysokością, co poprawia wydajność turbin wiatrowych. Najwyższe turbiny wiatrowe w Polsce posiadają 210 m, a najwyższe turbiny wiatrowe na świecie zlokalizowane są w Chinach. Rekord pobito tam wysokością 280m!
Wysokość turbiny jest dobierana w zależności od specyfikacji projektu i lokalnych warunków wietrznych.
Przeczytaj też:
Energia, która Wieje: Potencjał Farm Wiatrowych w Polsce
Projekty małych elektrowni wiatrowych / mini elektrowni wiatrowych
Jednak w świecie, w którym lokalność i lokalna samowystarczalność zyskują na znaczeniu, nie liczą się wyłącznie te najwyższe i te duże instalacje wiatrowe. To właśnie małe elektrownie wiatrowe / mini elektrownie wiatrowe zyskują na popularności jako sposób na produkcję energii odnawialnej na lokalną skalę. Projekty małych elektrowni wiatrowych mogą być realizowane w różnych lokalizacjach. Energetyka wiatrowa na małą skalę jest związana z technologiami takimi jak turbina typu H oraz innowacyjne turbiny aeromine.
Budowa łopaty turbiny wiatrowej
Wracając jednak do uniwersalnych komponentów turbiny – kolejnym elementem tej układanki są łopaty turbiny. Wykonane z lekkich i wytrzymałych materiałów kompozytowych, muszą mieć odpowiedni profil aerodynamiczny, aby maksymalnie wykorzystać energię wiatru. Łopaty turbiny (określane też jako łopaty wirnika) są projektowane tak, aby minimalizować opory powietrza i maksymalizować prędkość obrotową wirnika.
Proces produkcji łopat jest skomplikowany i wiąże się z użyciem zaawansowanych technologii, dzięki którym producenci mogą zagwarantować ich wytrzymałość i niezawodność. Każda łopata przechodzi rygorystyczne testy jakościowe, w tym testy wytrzymałościowe i zmęczeniowe, aby upewnić się, że latami będzie spisywać się na medal w trudnych warunkach atmosferycznych i będzie odporna na uszkodzenia turbiny. Proces ten jest monitorowany na każdym etapie, a nowoczesne technologie – takie jak analiza strukturalna i symulacje komputerowe – są używane do optymalizacji projektów i poprawy wydajności łopat wirnika.
Maszt do turbiny wiatrowej
Maszt jest konstrukcją nośną turbiny, podtrzymującą gondolę i rotor na odpowiedniej wysokości. W zastosowaniu lądowym zwykle wykonuje się go ze stali. Betonowe maszty są często używane w większych turbinach (szczególnie kiedy w grę wchodzą elektrownie wiatrowe offshore) ze względu na ich dużą wytrzymałość i stabilność. Maszt musi wytrzymać obciążenia wynikające z siły wiatru, siły wody (elektrownie wiatrowe offshore) i masy konstrukcji. Istnieją różne typy masztów, w tym maszty rurowe i kratownicowe, które są dobierane w zależności od specyfiki projektu i warunków terenowych.
Inwerter do turbiny wiatrowej
Inwerter, znany również jako przetwornica, to urządzenie elektroniczne, które przekształca prąd stały (DC) na prąd przemienny (AC). Bez inwertera energia generowana przez turbinę nie na wiele by się nam zdała. A to właśnie dlatego, że jest ona generowana w postaci prądu stałego, kiedy większość systemów energetycznych i urządzeń działa na prąd przemienny. To inwerter pozwala na konwersję tej energii w formę przystosowaną dla sieci energetycznej oraz dla gospodarstw domowych i przemysłu. Nowoczesne inwertery można wyposażyć w zaawansowane systemy sterowania i monitoringu, które optymalizują proces konwersji i zwiększają efektywność systemu. W przypadku energii wiatrowej odnawialnej falownik to inne określenie na inwerter.
Śmigła turbiny wiatrowej
Śmigła to inne określenie na łopaty wirnika. Są kluczowe dla wydajności turbin wiatrowych i powstawania energii wiatrowej odnawialnej.
Jak budujemy farmy wiatrowe w Electrum?
Elektrownia wiatrowa składa się z turbin, systemu przekształtników i transformatorów umożliwiających przesył prądu do sieci energetycznej oraz infrastruktury wspierającej, takiej jak drogi dojazdowe i stacje serwisowe.
W Electrum powołujemy do życia przede wszystkim duże instalacje wiatrowe. Jedną z nich jest farma wiatrowa Potęgowo.
Farma wiatrowa Potęgowo składa się z 81 turbin , które to turbiny wiatrowe pozwalają na generowanie mocy 219 MW! Jest to największa elektrownia tego typu na lądzie w Polsce i jedna z największych w Europie. Szacuje się, że pomaga uniknąć emisji 514 tysięcy ton dwutlenku węgla rocznie.
W Electrum postawienie elektrowni wiatrowej wiąże się z poszanowaniem życia zwierząt i lokalnych społeczności. Rozmieszczając turbiny w Potęgowie, dokładnie przeanalizowaliśmy trasy migracyjne oraz obszary grupowania, żerowania i gniazdowania ptaków, tak, żeby w nie nie ingerować. Ponadto zadbaliśmy o to, aby w żadnej z pobliskich miejscowości poziom hałasu nie przekroczył dopuszczalnych norm.
Jak przebiega montaż turbiny wiatrowej?
Montaż turbiny wiatrowej zaczyna się od przygotowania terenu i budowy solidnych fundamentów. W następnym etapie transportujemy i składamy kolejne komponenty takie jak segmenty wieży, gondola czy wirnik turbiny.
Wieża jest wznoszona segment po segmencie. Następnie na jej szczycie montowana jest gondola. Łopaty wirnika są precyzyjnie przymocowywane do piasty, a cała konstrukcja jest podłączana do sieci energetycznej.
Każdy element jest dokładnie testowany, aby zapewnić prawidłowe działanie i maksymalną wydajność. Proces wymaga zaawansowanego sprzętu oraz współpracy wielu specjalistów. Po zakończeniu montażu turbina jest uruchamiana i przechodzi kalibrację, zanim zostanie oddana do użytku.
Na czym polega serwis turbin wiatrowych?
Serwis polega na regularnych przeglądach, konserwacji i naprawach w celu zapewnienia prawidłowej eksploatacji elektrowni wiatrowych. Serwisowanie jest kluczowe dla zoptymalizowania wydajności i przedłużenia żywotności – innymi słowy minimalizowania przestojów i maksymalizacji produkcji energii przez jak najdłuższy czas.
Przeczytaj więcej na: Serwis turbin wiatrowych
