Wstęp
Poniżej omówię szczegółową budowę turbiny trzypłatowej dużej mocy. Wiele elementów, jak fundament czy wieża, zostało już scharakteryzowanych w innych miejscach serwisu. Dopóki nie zmienię układu strony, proszę szukać ich wpisując odpowiednie frazy w wyszukiwarce.
W skład lądowej turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu wchodzą:
- fundament
- wieża wiatrowa
- gondola
- wirnik z piastą
- inne elementy, jak: transformator, okablowanie, systemy bezpieczeństwa, itp.
Każdy z nich pełni określoną funkcję i zawiera komponenty niezbędne do prawidłowej pracy siłowni wiatrowej. Spróbujmy im się bliżej przyjrzeć. Dla doskonalenia języka technicznego będę się starał stosować nazewnictwo zarówno polskie, jak i angielskie.
Gondola (nacelle)
Gondola to „mózg” turbiny znajdujący się na szczycie wieży, zawierający szereg kluczowych elementów niezbędnych do zamiany energii wiatru na energię elektryczną, w tym:
- generator (generator) – zamieniający energię mechaniczną wału na energię elektryczną
- przekładnię (gearbox) – dopasowującą prędkość obrotową wału do wymaganej przez generator
- układ odchylania (yaw system) – ustawiający gondolę wraz z wirnikiem prostopadle do kierunku wiatru
- hamulec (brakes) – sterujący prędkością obrotową wirnika w zależności od prędkości wiatru, awaryjnie zatrzymuje turbinę przy przekroczeniu przez wiatr 25 m/s
- układ sterowania (controller) – wpływa na pracę turbiny zapewniając jej bezpieczeństwo i wysoką sprawność
Gondole wykonywane są na ogół z włókna szklanego, lub kompozytów, co zapewnia im niską masę i wysoką odporność na warunki atmosferyczne. Mają opływowy kształt do minimum redukujący opór powietrza.
Fot. Gondola siłowni wiatrowej Heliade X o mocy 12 MW. (źr. ore.catapult.org.uk)
Rozmiary gondol zależą od mocy turbin i systemu napędowego (przekładniowy, bezprzekładniowy). Gondola z systemem przekładniowym ma podłużny kształt przypominający prostopadłościan lub cygaro. Gondole bezprzekładniowe są relatywnie krótkie, mają natomiast dużą średnicę, z uwagi na wymiary samego stojana generatora. W tym rozwiązaniu generator połączony jest bezpośrednio z wirnikiem turbiny i zamocowany z nim na wspólnym wale. Prędkość obrotowa takiego generatora jest mała, stąd inna nazwa – wolnoobrotowy.
Rys. Gondola z generatorem wolnoobrotowym firmy Enercon.
Generatory wolnoobrotowe, z napędem bezpośrednim znacznie upraszczają konstrukcję całej siłowni. Gondola jest lżejsza, ma mniej elementów, nie ma też potrzeby wymiany oleju do smarowania przekładni, nie ma niebezpieczeństwa jego zapłonu w sytuacjach awaryjnych. Rozwiązanie takie wymaga jednak stosowania generatorów synchronicznych o bardzo dużej ilości magnesów zamocowanych na całym obwodzie stojana, stąd duża jego średnica.
Przy generatorach przekładniowych prędkość na wale przed przekładnią jest równa prędkości obrotowej wirnika turbiny i nie przekracza kilkunastu obrotów na minutę, a dla bardzo dużych siłowni morskich nawet 4-8 obr./min, podczas gdy za przekładnią dochodzi do 600 obr./min. W tego typu gondolach są tak naprawdę dwa wały: wolnoobrotowy zwany wałem głównym i szybkoobrotowy za przekładnią, zwany też generatorowym. Same generatory zaś noszą nazwę średnio- lub szybkoobrotowych.
Masa największych gondol dochodzi do kilkuset ton, a ich rozmiary mogą dorównywać budynkom. Dla przykładu wymiary gondoli morskiej turbiny wiatrowej o mocy 15MW to 21-25 m długości, 9-12m szerokości i 10-12m wysokości przy masie od 600-800 ton.
Fot. Gondola z generatorem szybkoobrotowym z przekładnią
W niektórych gondolach, oprócz ww. elementów, możemy też znaleźć transformator energii, jednak zwykle jest on przeniesiony do podstawy wieży wiatrowej, aby odciążyć gondolę. W dolnej części gondoli możemy za to wyróżnić inny ważny element – płytę fundamentową (ang. bedplate). Płyta fundamentowa podtrzymuje wszystkie elementy gondoli i przenosi obciążenie z wirnika na wieżę.
Płyta fundamentowa w odróżnieniu do obudowy gondoli wykonana jest z żeliwa, lub z żeliwnego elementu przedniego, który łączy się z wieżą i podtrzymuje ciężar wirnika i tylnego stalowego, na którym zamocowana jest reszta gondoli. Jej wymiary są zwykle mniejsze od wymiarów samej gondoli; w części dolnej dorównują średnicy wieży, w górnej mają szerokość do 4-8m.
Piasta
Służy do zamocowania płatów siłowni wiatrowej. W praktyce to cały zespól w którym znajdują się dodatkowo układy regulacji skoku łopaty i osłona wirnika. Układ regulacji skoku łopaty steruje położeniem każdej łopaty za pomocą siłowników hydraulicznych lub elektrycznych.
Fot. Po prawej – żeliwny odlew piasty z zamocowanymi łożyskami systemem regulacji kąta ustawienia łopat (Vestas)
Konstrukcja piasty musi być wystarczająco wytrzymała, aby utrzymać ciężar łopat wirnika. Odlewy piast do
obecnej generacji turbin wiatrowych lądowych o mocy znamionowej około 3 megawatów (MW) zawierają od 7 do 14 ton żeliwa sferoidalnego. Typowe wymiary to średnica od 3 do 4 metrów (m) i długość od 4 do 6 metrów. Turbiny wiatrowe na morzu o mocy 8 MW lub większej wymagają piast, z 40–50 tonami żeliwa i średnicami bliskimi 8 m. największe piasty 15 MW turbin mają masę >75 ton. Cała piasta skryta jest za ochronną osłoną z włókna szklanego.
System regulacji (Pitch system) za pomocą siłowników reguluje kąt natarcia łopat siłowni wiatrowej w zakresie około 20 stopni. Przy silnym wietrze regulacja odbywa się w sposób ciągły, z szybkością kilku stopni na sekundę. Przy słabym system regulacji ma za zadanie takie ustawienie łopat, przy którym jest największa wydajność aerodynamiczna. Z reguły każda łopata ma osobny system regulacji, pozwala to na ich niezależne ustawienie i np. korygowanie w ten sposób obciążenia całej siłowni. System regulacji posiada też funkcje bezpieczeństwa, która działa niezależnie od prądu sieci i pozwala na szybkie przestawienie łopat o 90 stopni w celu całkowitego zahamowania wirnika.
Układ odchylania (Yaw system) – steruje ustawieniem całej gondoli i wirnika względem kierunku wiatru, obracając gondolą wokół osi wieży.
System ten zbudowany jest w postaci zębatego pierścienia opasującego całą koronę wieży i zamocowanego do flanszy, powyżej której znajduje się już płyta fundamentowa. Na płycie zamocowanych jest kilka silników elektrycznych (zwykle 6-8 silników na obwodzie), połączonych za pośrednictwem przekładni i wału z zębatką z pierścieniem. Przy zmianie kierunku wiatru system sterujący załącza silniki, które poprzez współpracę zębatek i pierścienia na wieży obracają całą gondolą. Po osiągnięciu wymaganego kierunku silniki są wyłączane, a czujnik kierunku włącza hamulce tarczowe i zatrzymuje ruch obrotowy. Hamulce działają na zasadzie ślizgowej, podobnie jak w samochodzie, dociskając płynem hydraulicznym klocki hamulcowe do tarczy. Utrzymują gondolę i wirnik w wymaganym położeniu względem wiatru, mogą też służyć do jej zatrzymania na czas prac serwisowych.
Rys. Nieco inne ujęcie systemu sterowania odchyleniem azymutalnym gondoli.
Płaty (blades)
Łopaty, czy też płaty, są elementem turbiny który bezpośrednio przechwytuje energię wiatru i zamienia ją na energię mechaniczną momentu obrotowego. Od powierzchni zataczanej przez łopaty zależy moc, a zatem i ilość energii produkowanej przez turbinę. Im dłuższe łopaty, tym większy omiatany przez nie obszar, ale też coraz większy ciężar i coraz bardziej skomplikowana produkcja. Jeszcze do niedawna uważano, że wyprodukowanie łopaty o długości >100m będzie niemożliwe, z uwagi na problemy materiałowe, a nawet sposób ich późniejszego testowania.
Fot. Pojedynczy płat turbiny wiatrowej (azocleantech.com)
Obecna technika dawno pobiła ten rekord. Na największej w chwili pisania tego artykułu (XII. 2025) turbinie wiatrowej morskiej o mocy 26 MW, wyprodukowanej w Fuzhou, w południowo-wschodniej prowincji Fujian w Chinach, średnica wirnika wynosi 310m. Pomijając piastę długość pojedynczej łopaty to około 150m. Wytwarzanie tak długich łopat jest możliwe dzięki całemu szeregowi innowacji, jak min.:
- pełna automatyzacja procesu produkcyjnego
- stosowanie technologii infuzji próżniowej w wytwarzaniu ultralekkich kompozytów
- postęp w metrologii, stosowanie technologii laserowych i ultradźwiękowych w testowaniu płatów
Łopaty są zazwyczaj wykonane z włókna szklanego, włókna węglowego i żywicy epoksydowej lub poliestrowej. Wprowadzane są też nowe systemy żywic, które umożliwiają odzysk i ponowne wykorzystanie materiałów łopat po zakończeniu ich eksploatacji.
Jeszcze innym celem innowacji jest zmniejszenie ryzyka erozji krawędzi natarcia. Jednym z podejść jest opracowanie tutaj lepszych powłok. Innym – zastosowanie płyt ochronnych krawędzi natarcia, podobnych do tych stosowanych w łopatach śmigłowców, które są wystarczająco elastyczne, aby poradzić sobie z ugięciami występującymi w łopatach turbin wiatrowych.
Każda łopata posiada tzw. nasadę (blade root) przykręconą do łożyska łopaty, które z kolei jest przykręcone do centralnej piasty na wale głównym. Łożysko łopaty umożliwia mechanizmowi regulację kąta nachylenia łopaty w celu kontrolowania mocy wyjściowej turbiny, minimalizowania jej obciążeń oraz uruchamiania lub zatrzymywania turbiny w razie potrzeby.
Rys Budowa płatu.
Ochrona odgromowa chroni płat przed wyładowaniami atmosferycznymi. Polega na zastosowaniu blisko końca płatów specjalnych implantów wychwytujących wyładowanie i odprowadzających je z powierzchni płata najpierw przewodnikiem (kablem wysokiego napięcia) na pierwszych 10-15m, a potem konwencjonalnym kablem umieszczonym wewnątrz płata, aż do ziemi.
Produkcja
Cały płat wymaga wykonania w pierwszej kolejności dwóch form, zwanych potocznie muszlami lub skorupami, które wypełniane są następnie poszczególnymi materiałami, w tym:
Rys. Surowa forma.
1. Dno form pokrywane jest warstwą żelkotu, czyli zmodyfikowanej żywicy poliestrowej winyloestrowej lub eposkydowej, która pełni warstwę ochronną łopaty, zapewniając dużą gładkość i estetyczność powierzchni i zabezpieczając ją przez promieniowaniem UV oraz wpływem wilgoci.
Rys. Pokrywanie warstwą żelkotu.
2. Na tak nałożoną warstwę nakłada się następną w postaci włókna szklanego, co zapewnia płatowi wytrzymałość i stabilność. Na samym końcu muszli mocowany z kolei jest element przejściowy, służący do zamocowania łopaty na piaście.
3. Na całej długości formy rozkładana jest podstawa z włókna węglowego pod dźwigar.
Rys. Na warstwie żelkotu układa się warstwę włókna szklanego i podstawę z włókna węglowego pod dźwigar (ciemny pasek). Na końcu formy mocowana jest nasada dla uchwytu pod piastę.
4. Kolej na wypełnienie. To dodatkowy materiał płatu pomiędzy warstwami żywicy, który zapewnia mu wysoką wytrzymałość w stosunku do całkowitej masy. Na wypełnienie używa się drewna (balsa) lub spienionego tworzywa lub modyfikowanego PET. Całość pokrywana jest następnie kolejną warstwą włókna szklanego, co czyli budowę płata wielowarstwową typu „sandwicz”.
Rys. Układanie wypełnienia z balsy lub PET.
5. Na całej długości formy montowany jest centralny dźwigar i doklejany do jej powierzchni. Na tak przygotowaną dolna formę (skorupę) nakładana jest druga jej połówka.
Rys. Montaż dźwigara (zwykle od razu ze zintegrowanym systemem odgromowym). Obok druga połowa formy.
6. Całość poddawana jest procesowi termicznego utwardzania. Po zdjęciu formy płat jest docinany w miejscach nadlewów.
Rys. Gotowy płat jest frezowany na całej długości z nadlewów.
7. Obecnie na koniec procesu produkcyjnego, dla zwiększenia aerodynamiki płatów dodaje się do nich tzw. T-spoilery.
Rys. T-spoilery zwiększające aerodynamikę łopaty, szczególnie przy słabym wietrze.
Płat jest gotowy do testowania.