Turbina to maszyna, która zamienia energię kinetyczną wirującego płynu na użyteczną pracę lub energię za pośrednictwem układu wirnika. Przekładnia mechaniczna lub indukcja elektromagnetyczna umożliwia turbinom generowanie energii w ten sposób. Istnieją różne rodzaje turbin, ale najpopularniejsze są turbiny wiatrowe o osi poziomej i pionowej. W tym artykule dowiesz się wszystkiego o turbinach wiatrowych o osi poziomej, ich funkcjach, a także o typach turbin wiatrowych o osi poziomej.
Czym jest turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu?
Najpopularniejszym obecnie typem turbiny wiatrowej jest turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu, czyli HAWT. HAWT-y posiadają wirnik z przymocowanymi do niego aerodynamicznymi łopatami (tj. profilami aerodynamicznymi); wirnik ten może być skierowany w stronę wiatru lub od niego. Turbiny wiatrowe przeznaczone do dużych wysokości zazwyczaj mają dwie lub trzy łopaty, które obracają się z bardzo dużą prędkością. Stożkowe łopaty na wirnikach wiatrowych umożliwiają turbinie samoczynne ustawienie się w kierunku wiatru, natomiast wirniki wiatrowe wymagają łopatki odchylającej lub ogonowej, aby pomóc im ustawić się we właściwym kierunku. Zaobserwowano jednak, że wirniki wiatrowe odchylają się podczas ustawiania się w linii z wiatrem o niskiej prędkości, co skutkuje zmniejszeniem mocy wyjściowej przy tych prędkościach.
HAWT-y charakteryzują się poziomo zamontowanymi wałami, które są prostopadłe do podłoża. HAWT-y, podobnie jak VAWT-y, mogą mieć dwa lub trzy łopaty. Do tej pory trójłopatowe HAWT okazały się najskuteczniejszą konstrukcją, jednak modele z dwułopatowym wirnikiem i wirnikiem zwróconym w stronę wiatru odniosły pewien sukces. Turbina gondoli może być zwrócona w stronę wiatru (z przodu) lub w stronę wiatru (z tyłu). W urządzeniach z wiatrem nie ma potrzeby stosowania mechanicznego systemu orientacji, ponieważ zawsze są one skierowane w stronę wiatru. Ciągłe kołysanie spowodowane podmuchami wiatru jest największą wadą, ponieważ prowadzi do większego zmęczenia. Teraz poznajmy typy turbin wiatrowych o poziomej osi.
Jakie są typy turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu?
Turbiny wiatrowe o osi poziomej mają naprawdę skuteczną konstrukcję i są dość popularne na rynku. Podobnie jak inne turbiny wiatrowe, istnieją również typy turbin wiatrowych o osi poziomej. Typy są następujące-
1. Turbina wiatrowa
Wirnik turbiny wiatrowej nawietrznej jest zamontowany na szczycie wieży . Głównym zadaniem tej turbiny jest zapobieganie rzucaniu cienia przez wiatr na tylną część wieży. Ze względu na sztywność i odsunięcie od wieży, taka konfiguracja jest obecnie stosowana w większości turbin wiatrowych typu HAWT.
2. Turbina wiatrowa
Wirnik turbiny wiatrowej z osią zstępującą (downwind) znajduje się u podstawy konstrukcji . Ta konkretna turbina kieruje wiatr najpierw w stronę wieży, a następnie na łopaty wirnika. Ze względu na to, że wirnik przechodzi przez osłonę przeciwwietrzną wieży, turbina wiatrowa doświadcza pewnych wahań mocy wiatru. W tym przypadku wahania mocy wiatru są spowodowane położeniem wirnika za gondolą wieży. Powinno to pomóc w zrozumieniu typów turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu.
Przeczytaj także: 2 rodzaje turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu
Jaka jest zasada działania turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu?
Po zapoznaniu się z typami turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu, poznajmy również zasadę działania turbiny o poziomej osi obrotu. Energia wiatru jest przekształcana w moment obrotowy przez wirnik , który następnie jest przekazywany na wał wolnoobrotowy. Gondola chroni przekładnię, wał szybkoobrotowy i generator, które odbierają moc z wału wolnoobrotowego. Łopaty są przymocowane do wirnika i wału. Wał ten nazywany jest wałem wolnoobrotowym, ponieważ zespół obrotowy jest obracany przez wiatr z niewielką prędkością, wynoszącą zaledwie około 10 do 20 obr./min.
Aby osiągnąć pożądaną częstotliwość wyjściową 60 Hz, wał wolnoobrotowy jest połączony ze skrzynią biegów, która wyposażona jest w układ kół zębatych, zwiększający prędkość wyjściową wału do około 1,800 obr./min (lub 1,500 obr./min przy częstotliwości 50 Hz). Z tego powodu wał wychodzący z przekładni jest często nazywany wałem szybkoobrotowym. Wał szybkoobrotowy jest następnie sprzężony z generatorem , który przekształca ruch obrotowy w prąd przemienny. Jeśli ta prędkość jest wykorzystywana do bezpośredniego napędzania generatora, częstotliwość prądu przemiennego jest dokładnie proporcjonalna do prędkości obrotowej generatora.
Na przykład turbiny wiatrowe z napędem bezpośrednim zazwyczaj wykorzystują generator prądu stałego, a nie prądu przemiennego, i nie mają przekładni. Nie jest jasne, czy przetwornica prądu przemiennego na prąd stały jest ich częścią (która może znajdować się u podstawy wieży). W turbinach przemysłowych jako sterownik stosuje się programowalny sterownik logiczny (PLC) lub komputer. Odczyty anemometru są wykorzystywane przez sterownik, który następnie decyduje, w którą stronę powinna być zwrócona turbina wiatrowa, ile energii powinna zbierać i czy turbina powinna mieć możliwość przyspieszenia podczas silnych wiatrów. Taka jest zasada działania turbiny wiatrowej o osi poziomej. Następnie przyjrzyjmy się bliżej elementom turbiny wiatrowej o osi poziomej.
Jakie są elementy turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu?
Części turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu obejmują podstawę, wieżę, gondolę, generator, łopaty wirnika, piastę, wał, przekładnie i anemometry.
1. Podstawa: Wieża i inne elementy turbiny wiatrowej ważą znaczną liczbę ton, dlatego muszą być solidnie przymocowane do solidnej podstawy.
2. Wieża: Wysoka konstrukcja, która utrzymuje piastę wirnika i gondolę na miejscu. Mogą być wykonane ze stalowej kratownicy, betonu lub rur stalowych. Kluczowym aspektem konstrukcji turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu jest wysokość wieży. Zwiększenie wysokości wieży pozwala turbinom absorbować więcej energii wiatru i wytwarzać więcej energii elektrycznej, ponieważ prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością. Zwiększenie wysokości systemu wiatrowego zazwyczaj skutkuje większą generacją energii, a także zmniejsza turbulencje wiatru.
3. Łopaty wirnika: Łopaty turbin wiatrowych przechwytują energię kinetyczną wiatru i przekształcają ją w energię mechaniczną. Te łopaty są wykonane z żywicy epoksydowej lub poliestrowej wzmocnionej włóknem szklanym. W zależności od konstrukcji, turbiny wiatrowe mogą mieć pojedynczą łopatę, parę łopat, trzy lub więcej. Standardem są trójłopatowe turbiny HAWT. Są one przymocowane do piasty wirnika. W przeszłości ludzie wykorzystywali koncepcję kilku łopat do pompowania wody, mielenia żywności i wykonywania innych zadań.
4. Gondola: Gondola to obudowa kluczowych podzespołów turbiny. Przekładnia, wały wysoko- i wolnoobrotowe, generator, sterownik i hamulce są zamontowane na samym szczycie wieży. Gondola jest wyposażona w anemometr do pomiaru prędkości wiatru oraz wiatrowskaz do wykrywania kierunku wiatru.
5. Piasta: Połączenie łopaty wirnika z wałem turbiny wiatrowej wymaga piasty wirnika. Piasta, śruby, łożyska łopaty, układ skoku i elementy wewnętrzne tworzą zespół piasty. Do produkcji piast wirników wykorzystuje się stal, żelazo i stal kutą, a proces spawania jest niezbędny. Oto kilka przykładów piast wirników:
6. Wały: Wał, który przekazuje moc do kół napędowych, a poziom naprężeń w pustych lub pełnych stalowych konstrukcjach wału napędowego jest niezwykle wysoki. Dzięki zastosowaniu wałów napędowych energia mechaniczna z piasty łopaty może być przesyłana do generatora, umożliwiając mu przekształcenie ruchu obrotowego w prąd elektryczny. Zazwyczaj turbina wiatrowa ma dwa wały.
7. Przekładnie: Wał wyjściowy przekładni jest połączony z generatorem w celu przeniesienia energii mechanicznej w ruchu obrotowym. Podstawową zasadą działania przekładni jest prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya . Jest to urządzenie, które wytwarza energię elektryczną z energii mechanicznej. W turbinach wiatrowych istnieje kilka rodzajów przekładni: przekładnia planetarna, przekładnia śrubowa oraz przekładnia ślimakowa do turbiny.
8. Anemometry: Wielkość energii kinetycznej wiatru w dużej mierze zależy od jego prędkości. Sześcian prędkości wiatru jest wprost proporcjonalny do mocy wiatru. Wybierając lokalizację, kluczowe jest uwzględnienie średniej prędkości wiatru w danym obszarze. Anemometr to narzędzie służące do określania prędkości prądu wiatru. Zazwyczaj znajdują się one nad gondolą.
Zobacz także: Zalety i wady energii pływów
Do czego służą turbiny o osi poziomej?
Aby zmaksymalizować moc wyjściową i efektywność energetyczną, duże elektrownie wiatrowe często wykorzystują turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu. Te turbiny wiatrowe są zazwyczaj widoczne w
- Zakłady produkcyjne
- Ogromne farmy wiatrowe
- Budynki sponsorowane przez rząd
Dzięki temu dowiedziałeś się, do czego służą turbiny wiatrowe z poziomą osią obrotu. Następnie możesz również poznać zalety i wady turbin wiatrowych z poziomą osią obrotu.
Jakie są zalety i wady turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu?
Podobnie jak w przypadku innych urządzeń, zalety i wady turbin wiatrowych o osi poziomej są również dość oczywiste. Poznajmy je dokładnie tutaj.
Zalety turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu:
1. Potężne pokolenia
W zależności od zastosowania, turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu mogą mieć moc wyjściową od 2 MW do 8 MW. Lądowa turbina wiatrowa o mocy 2.5–3.0 MW może generować około 6 milionów kWh rocznie, co wystarcza do zasilenia 1,500 typowych domów w UE. Zależy to od wielkości turbiny i prędkości wiatru.
2. Wystarczająco niezawodny
Turbiny wiatrowe o osi poziomej od wielu lat dominują na rynku, dlatego ich konstrukcja i rozwój są bardzo zaawansowane. Badana jest zarówno praktyczność i użyteczność turbin wiatrowych o osi poziomej, które są już dostępne na rynku, jak i ich potencjalny przyszły rozwój.
3. Wyjątkowo silne wiatry operacyjne
Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu generują wyższe prędkości wiatru ze względu na wysokość wirników. Oznacza to, że prawdopodobnie będą pracować przy wyższych prędkościach wiatru, co jest idealne dla ich wydajności. Przepływ powietrza na dużych wysokościach jest zazwyczaj stały, co sprawia, że turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu są bardziej niezawodnym źródłem energii odnawialnej.
4. Wydajność na bardzo wysokim poziomie
Nie da się przetworzyć energii bez jej marnowania. Głównym celem rozwoju nowych produktów w sektorze energetyki wiatrowej jest zwiększenie efektywności konwersji energii. Na chwilę obecną najbardziej wydajne turbiny wiatrowe to turbiny z osią poziomą. Są one na tyle wydajne, że mogą przekształcić 40–50% energii wiatru w energię elektryczną nadającą się do użytku.
Przeczytaj także: Zalety i wady energii wodorowej
Wady turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu:
1. Trudne do przenoszenia, ustawiania i utrzymywania w dobrym stanie technicznym
Ze względu na swoją masę turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu , ich transport i montaż wiążą się ze znacznymi utrudnieniami logistycznymi i technicznymi. Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu mają łopaty o długości do 70 metrów i wadze do 20 ton, co sprawia, że ich instalacja na wąskich, krętych drogach typowych dla regionów pagórkowatych lub na zwykłych ulicach miast, wzdłuż których ciągną się domy, linie energetyczne i latarnie, jest mało prawdopodobna.
2. Wyrządzać szkodę środowisku
Wciąż toczy się wiele debat i kontrowersji wokół wpływu turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu na otaczające środowisko . Ryk potężnych łopat przecinających powietrze, rzucany przez nie ogromny cień oraz zakłócenia, jakie powodują dla otaczającej fauny i ekosystemów, budzą niepokój.
3. Zmiana ekosystemu morskiego
Turbiny wiatrowe na morzu prawdopodobnie zmienią ekosystem morski w sposób, którego jeszcze nie rozumiemy, podczas gdy łopatki turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu stanowią ryzyko kolizji ze stworzeniami latającymiWiele badań wykazało, że turbiny wiatrowe nie są bezpośrednio odpowiedzialne za więcej niż jeden procent rocznej śmierci ptaków w Stanach Zjednoczonych spowodowanej wypadkami z obiektami i praktykami stworzonymi przez człowieka.
4. Ścisłe wymagania dotyczące konfiguracji
Przepisy dotyczące rozwoju i instalacji turbin wiatrowych mogą stanowić przeszkodę, pomimo faktu, że rządy na całym świecie zachęcają do rozpoczęcia rewolucji w dziedzinie energii odnawialnej . Na przykład, w przypadku turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu, wymagana odległość od sąsiedniego domu wynosi zazwyczaj czterokrotność całkowitej wysokości turbiny. Władze miasta muszą przeprowadzić analizę hałasu przed wydaniem pozwolenia na budowę farmy wiatrowej. Konieczne jest uwzględnienie zarówno hałasu otoczenia, jak i hałasu generowanego przez turbinę wiatrową. Chociaż często istnieje dobra praktyczna zasada, polityka może się różnić w zależności od czynników, takich jak klimat polityczny, klimat społeczny i klimat naturalny.
HAWT odgrywają i będą odgrywać dużą rolę w Twojej przyszłości opartej na odnawialnych źródłach energii. Bardzo ważne jest zrozumienie wszystkich rzeczy dotyczących takich technologii, jak zalety i wady turbin wiatrowych o poziomej osi, typy turbin wiatrowych o poziomej osi itd. Pomagają Ci być gotowym na przyszłość, która nadchodzi.
Polecane: 5 głównych zalet i wad energii wodnej
