Informacje ogólne
Turbina wiatrowa to maszyna, która przekształca energię kinetyczną wiatru w energię mechaniczną ruchu obrotowego, która jest następnie wykorzystywana do wykonywania pracy. W bardziej zaawansowanych modelach, energia obrotowa jest przekształcana w energię elektryczną, najbardziej uniwersalną formę energii, za pomocą generatora.
Przez tysiące lat ludzie używali wiatraków do pompowania wody lub mielenia ziarna. Nawet w XX wieku wysokie, smukłe, wielonawowe turbiny wiatrowe wykonane w całości z metalu były używane w amerykańskich domach i na ranczach do pompowania wody do instalacji hydraulicznej domu lub do poideł dla bydła. Po I wojnie światowej rozpoczęto prace nad stworzeniem turbin wiatrowych, które mogłyby produkować energię elektryczną. W 1927 roku Marcellus Jacobs wynalazł prototyp, który mógł zasilić radio i kilka lamp, ale niewiele więcej. Kiedy później wzrosło zapotrzebowanie na energię elektryczną, małe, nieodpowiednie turbiny wiatrowe Jacobsa wyszły z użycia.
Pierwszą turbinę wiatrową zbudowaną na dużą skalę w Stanach Zjednoczonych wymyślił Palmer Cosslett Putnam w 1934 roku; ukończył ją w 1941 roku. Maszyna była ogromna. Wieża miała wysokość 36,6 jardów (33,5 metra), a jej dwie łopaty ze stali nierdzewnej miały średnicę 58 jardów (53 metrów). Turbina wiatrowa Putnama mogła wyprodukować 1250 kilowatów energii elektrycznej, czyli wystarczająco dużo, aby zaspokoić potrzeby małego miasta. Została jednak porzucona w 1945 roku z powodu awarii mechanicznej.
Wraz z embargiem na ropę naftową w latach 70. Stany Zjednoczone ponownie zaczęły rozważać możliwość produkcji taniej energii elektrycznej z turbin wiatrowych. W 1975 roku uruchomiono prototyp Mod-O. Była to turbina o mocy 100 kilowatów z dwiema łopatami o długości 21 jardów (19 metrów). Później pojawiły się kolejne prototypy (Mod-OA, Mod-1, Mod-2, itd.), każdy większy i mocniejszy od poprzedniego. Obecnie Departament Energii Stanów Zjednoczonych dąży do przekroczenia 3200 kilowatów na jedno urządzenie.
Istnieje wiele różnych modeli turbin wiatrowych, z których najbardziej rzucający się w oczy jest Darrieus o pionowej osi obrotu, który kształtem przypomina ubijaczkę do jajek. Model najbardziej wspierany przez producentów komercyjnych, jednakże, jest turbiną o osi poziomej, o mocy około 100 kilowatów i trzech łopatach o długości nie większej niż 33 jardy (30 metrów). Turbiny wiatrowe z trzema łopatami obracają się płynniej i są łatwiejsze do wyważenia niż te z dwoma łopatami. Ponadto, podczas gdy większe turbiny wiatrowe produkują więcej energii, mniejsze modele są mniej narażone na poważne awarie mechaniczne, a zatem są bardziej ekonomiczne w utrzymaniu.
Farmy wiatrowe pojawiły się w całych Stanach Zjednoczonych, przede wszystkim w Kalifornii. Farmy wiatrowe to ogromne zespoły turbin wiatrowych ustawionych na obszarach o korzystnych warunkach wietrzności. Duża liczba połączonych ze sobą turbin wiatrowych jest niezbędna do produkcji wystarczającej ilości energii elektrycznej, aby zaspokoić potrzeby znacznej populacji. Obecnie 17 000 turbin wiatrowych na farmach wiatrowych należących do kilku firm wiatrowych produkuje rocznie 3,7 miliarda kilowatogodzin energii elektrycznej, co wystarcza do zaspokojenia potrzeb energetycznych 500 000 domów.
Surowce
Turbina wiatrowa składa się z trzech podstawowych części: wieży, gondoli i łopat wirnika. Wieża jest albo stalową wieżą kratową podobną do wież elektrycznych, albo stalową wieżą rurową z wewnętrzną drabinką do gondoli.
Następnie instalowana jest gondola z włókna szklanego. Jej wewnętrzne elementy – główny wał napędowy, skrzynia biegów oraz elementy sterujące skokiem i odchyleniem łopat – są montowane i osadzane na ramie podstawy w fabryce. Następnie gondola jest skręcana śrubami wokół urządzeń. Na miejscu, gondola jest podnoszona na gotową wieżę i przykręcana na miejscu.
Większość wież nie ma uchwytów, czyli kabli służących do podtrzymywania, a większość jest wykonana ze stali, która została pokryta stopem cynku w celu ochrony, choć niektóre są malowane. Wieża typowej turbiny produkcji amerykańskiej ma około 80 stóp wysokości i waży około 19 000 funtów.
Gondola jest mocną, pustą w środku skorupą, która zawiera wewnętrzne elementy turbiny wiatrowej. Zazwyczaj wykonana z włókna szklanego, gondola zawiera główny wał napędowy i skrzynię biegów. Zawiera ona również system hydrauliczny, który kontroluje kąt nachylenia łopat oraz napęd odchylenia, który kontroluje położenie turbiny względem wiatru. Generator i sterowanie elektroniczne to standardowe wyposażenie, którego głównymi elementami są stal i miedź. Typowa gondola dla obecnej turbiny waży około 22 000 funtów.
Najbardziej zróżnicowane zastosowanie materiałów i najwięcej eksperymentów z nowymi materiałami występuje w przypadku łopat. Chociaż najbardziej dominującym materiałem używanym do produkcji łopat w komercyjnych turbinach wiatrowych jest włókno szklane z pustym rdzeniem, inne używane materiały obejmują lekkie drewno i aluminium. Łopaty drewniane są masywne, ale większość łopat składa się z poszycia otaczającego rdzeń, który jest pusty lub wypełniony lekką substancją, taką jak pianka z tworzywa sztucznego, plaster miodu lub drewno balsa. Typowa łopatka z włókna szklanego ma około 15 metrów długości i waży około 2,500 funtów.
Turbiny wiatrowe zawierają również skrzynkę użytkową, która przekształca energię wiatru w energię elektryczną i która znajduje się u podstawy wieży. Różne kable łączą skrzynkę użytkową z gondolą, podczas gdy inne łączą całą turbinę z pobliskimi turbinami i z transformatorem.
Proces produkcyjny
Zanim będzie można rozważyć budowę poszczególnych turbin wiatrowych, producenci muszą określić właściwy obszar dla lokalizacji farm wiatrowych. Wiatry muszą być stałe, a ich prędkość musi być regularnie powyżej 15,5 mil na godzinę (25 kilometrów na godzinę). Jeśli wiatry są silniejsze w określonych porach roku, preferuje się, aby były one największe w okresach maksymalnego zużycia energii elektrycznej. Na przykład w kalifornijskim Altamont Pass, gdzie znajduje się największa na świecie farma wiatrowa, prędkość wiatru jest największa latem, kiedy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest wysokie. W niektórych rejonach Nowej Anglii, gdzie rozważa się budowę farm wiatrowych, wiatry są najsilniejsze zimą, kiedy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest
ogrzewanie zwiększa zużycie energii elektrycznej. Farmy wiatrowe działają najlepiej na otwartych obszarach lekko pofałdowanej ziemi otoczonej górami. Obszary te są preferowane, ponieważ turbiny wiatrowe mogą być umieszczone na grzbietach i pozostają niezasłonięte przez drzewa i budynki, a góry koncentrują przepływ powietrza, tworząc naturalny tunel wiatrowy silniejszych, szybszych wiatrów. Farmy wiatrowe muszą być również umieszczone w pobliżu linii energetycznych, aby ułatwić przesyłanie energii elektrycznej do lokalnej elektrowni.
Przygotowanie terenu
- 1 Gdziekolwiek farma wiatrowa ma być zbudowana, drogi są przecinane, aby zrobić drogę dla transportu części. W każdej lokalizacji turbiny wiatrowej teren jest wyrównywany, a podłoże niwelowane. Następnie w ziemię wmurowywany jest betonowy fundament, po którym układane są podziemne kable. Kable te łączą turbiny wiatrowe ze sobą w sposób szeregowy, a także łączą je wszystkie ze zdalnym centrum sterowania, gdzie farma wiatrowa jest monitorowana, a energia elektryczna przesyłana do przedsiębiorstwa energetycznego.
Wznoszenie wieży
- 2 Chociaż stalowe części wieży są produkowane poza zakładem w fabryce, są one zazwyczaj montowane na miejscu. Części są skręcane śrubami przed wzniesieniem, a wieża jest utrzymywana w pozycji poziomej do czasu jej ustawienia. Dźwig unosi wieżę na miejsce, wszystkie śruby są dokręcone, a stabilność jest testowana po zakończeniu montażu.
Gondola
- 3 Gondola z włókna szklanego, podobnie jak wieża, jest produkowana poza zakładem w fabryce. Jednak w przeciwieństwie do wieży, jest ona również składana w fabryce. Jej wewnętrzne elementy – główny wał napędowy, skrzynia biegów oraz elementy sterujące nachyleniem i odchyleniem łopat – są montowane, a następnie umieszczane na ramie podstawy. Następnie gondola jest skręcana śrubami
Równocześnie z umieszczeniem gondoli i łopat instaluje się skrzynkę przyłączeniową dla każdej turbiny wiatrowej oraz system komunikacji elektrycznej dla farmy wiatrowej. Kable biegną od gondoli do skrzynki zasilającej oraz od skrzynki zasilającej do centrum zdalnego sterowania.wokół urządzeń. Na miejscu budowy gondola jest podnoszona na gotową wieżę i przykręcana śrubami.
Łopaty obrotowe
- 4 Aluminiowe łopaty są tworzone przez skręcanie razem arkuszy aluminium, podczas gdy drewniane łopaty są rzeźbione w celu utworzenia aerodynamicznego śmigła podobnego w przekroju do skrzydła samolotu.
- 5 Zdecydowanie największa liczba łopat, jednakże, jest formowana z włókna szklanego. Produkcja włókna szklanego jest żmudną operacją. Najpierw przygotowywana jest forma, która składa się z dwóch połówek, jak muszla małża, a jednocześnie ma kształt łopatki. Następnie na wewnętrzne powierzchnie formy nakładana jest mieszanka kompozytowa włókna szklanego i żywicy, po czym forma jest zamykana. Mieszanka z włókna szklanego musi następnie schnąć przez kilka godzin; w tym czasie pęcherz wypełniony powietrzem wewnątrz formy pomaga ostrzu utrzymać jego kształt. Po wyschnięciu włókna szklanego forma jest otwierana, a pęcherz jest usuwany. Ostateczne przygotowanie ostrza obejmuje czyszczenie, szlifowanie, uszczelnienie dwóch połówek i malowanie.
- 6 Łopaty są zwykle przykręcane do gondoli po jej umieszczeniu na wieży. Ponieważ montaż jest łatwiejszy do wykonania na ziemi, czasami trójramienne ostrze ma dwa ostrza przykręcone do gondoli przed jej podniesieniem, a trzecie ostrze jest przykręcone po umieszczeniu gondoli na miejscu.
Instalacja systemów sterowania
- 7 Skrzynka zasilająca każdą turbinę wiatrową oraz system komunikacji elektrycznej dla farmy wiatrowej są instalowane jednocześnie z umieszczeniem gondoli i łopat. Kable biegną od gondoli do skrzynki zasilającej i od skrzynki zasilającej do centrum zdalnego sterowania.
Kontrola jakości
W przeciwieństwie do większości procesów produkcyjnych, produkcja turbin wiatrowych wiąże się z bardzo niewielką troską o kontrolę jakości. Ponieważ masowa produkcja turbin wiatrowych jest dość nowa, nie ustalono jeszcze żadnych standardów. Obecnie podejmowane są wysiłki w tym zakresie zarówno ze strony rządu, jak i producentów.
Chociaż turbiny wiatrowe na służbie są liczone na pracę w 90 procentach czasu, nadal napotyka się wiele wad konstrukcyjnych, szczególnie w przypadku łopat. Pęknięcia pojawiają się niekiedy wkrótce po wyprodukowaniu. Awarie mechaniczne spowodowane błędami osiowania i montażu są powszechne. Czujniki elektryczne często ulegają awarii z powodu skoków napięcia. Hamulce niehydrauliczne są zazwyczaj niezawodne, ale hydrauliczne systemy hamulcowe często sprawiają problemy. Opracowywane są plany wykorzystania istniejącej technologii w celu rozwiązania tych trudności.
Turbiny wiatrowe mają regularne harmonogramy konserwacji w celu zminimalizowania awarii. Co trzy miesiące przechodzą one przegląd, a co sześć miesięcy planowany jest przegląd główny. Zazwyczaj obejmuje to smarowanie ruchomych części i sprawdzanie poziomu oleju w przekładni. Możliwe jest również, aby pracownik przetestował system elektryczny na miejscu i odnotował wszelkie problemy z generatorem lub podłączeniami.
Korzyści i wady środowiskowe
Turbina wiatrowa, która produkuje energię elektryczną z niewyczerpanych wiatrów, nie wytwarza żadnych zanieczyszczeń. Dla porównania, węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny wytwarzają od jednego do dwóch funtów dwutlenku węgla (emisja, która przyczynia się do efektu cieplarnianego i globalnego ocieplenia) na każdą wyprodukowaną kilowatogodzinę. Gdy energia wiatrowa jest wykorzystywana do zaspokojenia potrzeb elektrycznych, zmniejsza się zależność od paliw kopalnych. Obecna roczna produkcja energii elektrycznej przez turbiny wiatrowe (3,7 miliarda kilowatogodzin) jest równoważna czterem milionom baryłek ropy naftowej lub milionowi ton węgla.
Turbiny wiatrowe nie są całkowicie wolne od wad środowiskowych. Wiele osób uważa je za nieestetyczne, zwłaszcza gdy ogromne farmy wiatrowe budowane są w pobliżu dziewiczych obszarów dzikiej przyrody. Udokumentowano przypadki zabijania ptaków, a wirujące łopaty wytwarzają dość duży hałas. Starania mające na celu zmniejszenie tych efektów obejmują wybór lokalizacji, które nie pokrywają się z obszarami dzikiej przyrody lub szlakami migracji ptaków oraz badania nad sposobami zmniejszenia hałasu.
Przyszłość
Przyszłość może być tylko lepsza dla turbin wiatrowych. Potencjał energii wiatrowej jest w dużej mierze niewykorzystany. Departament Energii Stanów Zjednoczonych szacuje, że do 1995 roku można osiągnąć dziesięciokrotny wzrost ilości produkowanej obecnie energii elektrycznej. Do roku 2005 możliwe jest osiągnięcie siedemdziesięciokrotności obecnej produkcji. Jeśli uda się to osiągnąć, turbiny wiatrowe będą stanowiły 10 procent produkcji energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych.
Obecnie prowadzone są badania mające na celu zwiększenie wiedzy na temat zasobów wiatru. Polega to na badaniu coraz większej ilości obszarów pod kątem możliwości umieszczenia farm wiatrowych tam, gdzie wiatr jest pewny i silny. Realizowane są plany zwiększenia żywotności maszyny z pięciu lat do 20-30 lat, poprawy wydajności łopat, zapewnienia lepszej kontroli, opracowania układów napędowych, które wytrzymają dłużej, oraz umożliwienia lepszej ochrony przeciwprzepięciowej i uziemienia. Departament Energii Stanów Zjednoczonych ustalił ostatnio harmonogram wdrażania najnowszych badań w celu budowy turbin wiatrowych o wyższej sprawności niż jest to obecnie możliwe. (Sprawność idealnej turbiny wiatrowej wynosi 59,3 procent. Oznacza to, że 59,3 procent energii wiatru może zostać przechwycone. Obecnie używane turbiny mają sprawność około 30 procent). Departament Energii Stanów Zjednoczonych podpisał również umowę z trzema korporacjami na badania nad sposobami ograniczenia awarii mechanicznych. Projekt ten rozpoczął się wiosną 1992 roku i będzie trwał do końca wieku.
Turbiny wiatrowe staną się bardziej powszechne w nadchodzących latach. Największy producent turbin wiatrowych na świecie, U.S. Windpower, planuje do 1995 roku zwiększyć moc z 420 megawatów (4.200 maszyn) do 800 megawatów (8.000 maszyn). Do roku 2000 planuje mieć moc 2.000 megawatów (20.000 maszyn). Inni producenci turbin wiatrowych również planują zwiększyć liczbę produkowanych turbin. Międzynarodowe komitety złożone z przedstawicieli kilku krajów uprzemysłowionych utworzyły się w celu omówienia potencjału turbin wiatrowych. Podejmowane są również wysiłki w celu zapewnienia krajom rozwijającym się małych turbin wiatrowych podobnych do tych, które Marcellus Jacobs zbudował w latach 20-tych XX wieku. Dania, która już teraz produkuje 70-80% energii wiatrowej w Europie, opracowuje plany rozszerzenia produkcji turbin wiatrowych. Na przełomie wieków turbiny wiatrowe powinny być odpowiednio rozmieszczone, wydajne, trwałe i liczne.
– Rose Secrest
.