Dzisiejsze, nowoczesne elektrownie wiatrowe są ulepszoną wersją drewnianych wiatraków, stosowanych przez ludzkość od dawna. Pierwsze wzmianki o wiatrakach znajdują się już w kodeksie Hammurabiego (służyły do pompowania wody i melioracji pól). Przez ponad 2500 lat wiatraki miały pionową oś obrotu, dopiero w 1105 roku n.e. powstał pierwszy opis wiatraka o poziomej osi obrotu, czyli takiego jaki znamy dziś.
Wiatraki drewniane ogromną popularność uzyskały w Holandii w XIX wieku, kiedy to ich liczbę szacowano na 10 tys. Konstrukcje te pełniły rolę młynów zbożowych, tartaków, oraz dawna pędzały pompy odwadniające. Rola dzisiejszych turbin napędzanych wiatrem jest inna, ponieważ inne są też potrzeby dzisiejszego świata, który nie funkcjonowałby bez energii elektrycznej. Technologia znana od wieków, podołała i temu zadaniu.
Nowoczesne turbiny wiatrowe produkują energię elektryczną, przekształcając, za pomocą odpowiedniego mechanizmu, energię kinetyczną wiatru w energię mechaniczną. Elektrownia wiatrowa składa się z wieży oraz umieszczonych na niej wirniku i gondoli. Najważniejszą częścią jest wirnik, w którym dokonuje się zamiana energii wiatru na energię mechaniczną. Osadzony jest on na wale, poprzez który napędzany jest generator. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością 15-20 obr/min, natomiast typowy generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min. W związku z tym niezbędne jest użycie skrzyni przekładniowej, w której dokonuje się zwiększenie prędkości obrotowej. W piaście wirnika umieszczony jest serwomechanizm pozwalający na ustawienie kąta nachylenia łopat (skoku). Gondola musi mieć możliwość obracania się o 360 stopni, aby zawsze można ustawić ją pod wiatr. W związku z tym na szczycie wieży zainstalowany jest silnik, który poprzez przekładnię zębatą może ją obracać. W elektrowniach małej mocy, gdzie masa gondoli jest stosunkowo mała, jej ustawienie pod wiatr zapewnia ster kierunkowy zintegrowany z gondolą. Pracą mechanizmu ustawienia łopat, i kierunkowania elektrowni zarządza układ mikroprocesorowy na podstawie danych wejściowych (np. prędkości i kierunku wiatru). Ponadto w gondoli znajdują się: transformator, łożyska, układy smarowania oraz hamulec zapewniający zatrzymanie wirnika w sytuacjach awaryjnych.
Rys. Turbina wiatrowa z osia poziomą (źródło: elektrownie-wiatrowe.pl)
Rys. Uproszczony schemat budowy siłowni wiatrowej
Na małą skalę, elektrownia wiatrowa połączona z systemem magazynowania energii elektrycznej może służyć do zaopatrzenia budynku autonomicznego w elektryczność. Na rynku dostępne są małe przydomowe instalacje do produkcji energii elektrycznej, składające się z turbiny wiatrowej o mocy kilku kW, ogniwo fotowoltaiczne oraz baterię akumulatorów do przechowywania energii między okresami podaży a zapotrzebowania
Rys. Budowa elektrowni wiatrowej (model V80-2.0MW firmy Vestas)
1) kontroler 2) siłownik mechanizmu przestawiania łopat 3) główny wał 4) chłodnica oleju 5) skrzynia przekładniowa 6) wieloprocesorowy układ sterowania 7) hamulec postojowy 8) dˇwig dla obsługi 9) transformator 10) piasta łopaty 11) łożysko łopaty 12) łopata 13) układ hamowania wirnika 14) układ hydrauliczny 15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika 16) pierścień układu kierunkowania 17) fundament 18) koła zębate układu kierunkowania 19) generator 20) chłodnica generatora powłok przymocowanych do belki nośnej. W niektórych rozwiązaniach istnieje ponadto możliwość zmiany kąta ustawienia łopat wirnika dzięki zastosowaniu siłowników hydraulicznych. Wirnik osadzony jest na wale wolnoobrotowym, którego obroty poprzez skrzynię przekładniową przekazywane są do wału szybkoobrotowego. Wał szybkoobrotowy połączony jest z wałem generatora. Spotykane są też układy pracujące bez przekładni. Najczęściej wirnik obraca się z prędkością (15-30) obr./min., przekładnia zwiększa tą prędkość obrotową 50-krotnie do 1500 obr./min. Stopień przełożenia zależy od typu prądnicy zastosowanej w elektrowni. Jako generatory pracują najczęściej prądnice asynchroniczne. W czasie rozruchu generatory łączone są do sieci przez układy tyrystorowe, które następnie są bocznikowane stycznikami. Mikroprocesorowy system sterowania monitoruje stan siłowni i pobiera dane do obliczeń i sterowania. Generator, transformator, przekładnia i urządzenia sterujące umieszczone są w gondoli. Ponadto gondola zawiera układy smarowania, chłodzenia, hamulec tarczowy itp. Gondola i wirnik obracane są w kierunku wiatru przez silniki i przekładnię zębatą znajdującą się na szczycie wieży, na której umieszczona jest gondola.
Artykułpochodzi ze strony o energetyce odnawialenej energiawiatru.eu