Budowa turbiny wiatrowej

Jeśli chodzi o proces wznoszenia turbiny wiatrowej, kluczowe jest zrozumienie jej najważniejszych elementów. Wśród nich wyróżniamy łopaty, rotor, maszt oraz gondolę.

Na placu budowy można zaobserwować, jak w trakcie montażu powstaje struktura turbiny wiatrowej.

Gondola stanowi obudowę, w której umieszczone są najważniejsze komponenty mechaniczne i elektryczne, będące niejako „sercem” wiatraka. Te elementy są niezbędne do jego prawidłowego funkcjonowania i obejmują między innymi:

• Generator wiatrowy z inwerterem, który dokonuje konwersji energii mechanicznej na elektryczną.
• Układ chłodzenia, składający się z wentylatorów i systemów chłodzenia cieczą, zapewniający odpowiednią temperaturę pracy generatora oraz innych podzespołów.
• Systemy sterowania i monitoringu, obejmujące komputery i elektroniczne układy służące do zarządzania pracą turbiny, jej nadzoru oraz przesyłania danych do centrum kontrolnego.
• Transformator, który zmienia napięcie wyjściowe z generatora na poziom odpowiedni do przesyłu energii do sieci.

Rotor to część turbiny wyposażona w łopaty, które służą do przechwytywania energii wiatru. Ich zadaniem jest zamiana energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną obrotu wirnika.

Podtrzymanie gondoli i rotora na odpowiedniej wysokości zapewnia maszt. Jest to konstrukcja osadzona na fundamentach, które muszą być odpowiednio przygotowane, aby zapewnić stabilność i wytrzymałość.

Łopaty turbiny mogą być ustawione na dwóch osiach – najczęściej na osi poziomej, choć istnieją też turbiny z osią pionową. Turbiny z osi poziomej charakteryzują się wyższą efektywnością przy stałym kierunku wiatru i są najczęściej wykorzystywane na dużych farmach wiatrowych na otwartych przestrzeniach. Natomiast turbiny z osi pionowej, w których łopaty obracają się wokół pionowej osi, lepiej radzą sobie z wiatrami zmieniającymi kierunek i coraz częściej pojawiają się w miejskich przestrzeniach ze względu na ich kompaktową budowę, na przykład turbina Darrieusa.

Fundament turbiny wiatrowej odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu stabilności i bezpieczeństwa całej konstrukcji. Fundamenty są dostosowane do warunków geologicznych i obciążeniowych konkretnej lokalizacji. Najczęściej stosuje się fundamenty betonowe, choć w przypadku turbin morskich (offshore) często używa się fundamentów palowych, które wbijane są głęboko w ziemię lub morze. Prawidłowo wykonany fundament zapewnia długą żywotność i stabilność, co jest niezbędne dla efektywnej pracy elektrowni wiatrowej.

Wysokość turbiny to kolejny istotny czynnik wpływający na jej efektywność. Największe turbiny osiągają nawet ponad 200 metrów, co umożliwia korzystanie z silniejszych i bardziej stabilnych wiatrów, a tym samym zwiększa ich produkcję energii. Im wyżej znajduje się turbina, tym mniej napotyka przeszkód terenowych, takich jak roślinność czy ukształtowanie terenu, które mogą hamować wiatr. Zjawisko to powoduje, że prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością, co poprawia wydajność turbiny. W Polsce najwyższe turbiny mają około 210 metrów, natomiast rekord światowy należy do Chin, gdzie wysokość sięgała aż 280 metrów.

Wysokość turbiny jest dobierana indywidualnie w zależności od charakterystyki projektu i warunków wietrznych danej lokalizacji.

Warto również wspomnieć o rosnącej popularności małych i mini elektrowni wiatrowych, które zyskują na znaczeniu w kontekście lokalnej samowystarczalności i produkcji energii na małą skalę. Takie instalacje mogą być realizowane w różnych miejscach i korzystają z technologii, takich jak turbiny typu H czy innowacyjne rozwiązania aeromine.

Kolejnym kluczowym elementem są łopaty turbiny, wykonane z lekkich, wytrzymałych materiałów kompozytowych. Muszą one posiadać odpowiedni profil aerodynamiczny, aby jak najefektywniej wykorzystywać energię wiatru. Projektowanie łopat jest skomplikowanym procesem, wykorzystującym nowoczesne technologie i symulacje komputerowe, które pomagają zoptymalizować ich wytrzymałość i wydajność. Każda łopata przechodzi rygorystyczne testy jakościowe, w tym testy wytrzymałościowe i zmęczeniowe, aby zapewnić ich niezawodność nawet w trudnych warunkach atmosferycznych.

Maszt jest konstrukcją nośną, podtrzymującą gondolę i rotor na właściwej wysokości. Na lądzie najczęściej wykonuje się go ze stali, natomiast w przypadku turbin offshore częściej stosuje się maszty betonowe, które charakteryzują się dużą stabilnością i wytrzymałością. Różne typy masztów, takie jak rurowe czy kratownicowe, są dobierane w zależności od warunków terenowych i wymagań projektu.

Inwerter, zwany także przetwornicą, jest kluczowym urządzeniem elektronicznym, które przekształca prąd stały (DC) generowany przez turbinę na prąd przemienny (AC), niezbędny do przesyłu energii do sieci energetycznej i jej wykorzystywania w gospodarstwach domowych czy przemysłowych. Nowoczesne inwertery wyposażone są w zaawansowane systemy sterowania i monitoringu, które zwiększają ich efektywność.

Ostatnim elementem są śmigła, czyli łopaty wirnika, które odgrywają kluczową rolę w procesie pozyskiwania energii z wiatru i jej konwersji na energię mechaniczną, a następnie elektryczną.