Miedź w energetyce wiatrowej 1

Miedź jest metalem o fundamentalnym znaczeniu dla energetyki wiatrowej.
Zewnętrzne środowisko stawia bardzo wysokie wymagania dotyczące kabli, złącz i uzwojeń generatorów stosowanych w instalacjach energetyki wiatrowej, szczególnie w morskich elektrowniach wiatrowych.

Miedź zapewnia przewodność elektryczną, odporność na korozję, wytrzymałość i elastyczność, spełniające wszystkie wymagania surowych warunków otoczenia, gdzie obsługa i naprawy są bardzo kosztowne.

Miedź jest stosowana w:

  • uzwojeniach generatorów
  • kablach energetycznych
  • układach uziemień i ochrony odgromowej
  • transformatorach
  • falownikach
  • systemach sterowania

Można powiedzieć, cała energia elektryczna i zasilany przez nią nowoczesny świat, zawdzięczają swoje istnienie jednemu zjawisku: gdy magnes porusza się w pobliżu cewki, przepływa w niej prąd elektryczny. To właśnie jest generator, a przy odwróceniu działania – silnik elektryczny. Generator jest sercem turbiny wiatrowej, gdyż to on przetwarza wirowanie łopat turbiny w energię elektryczną. Silnik elektryczny i generator są bardzo podobne, zatem silnik może być stosowany bez zmian, lub tylko z niewielkimi zmianami, jako generator.

Uzwojenia generatora

Aby wytwarzać energię elektryczną, linie sił pola magnetycznego muszą przecinać pod kątem prostym przewód cewki.

Na rysunku 1 łopaty turbiny wiatrowej powodują ruch obrotowy magnesu, którego wirujące pole magnetyczne przenika uzwojenie, indukując w nim prąd elektryczny. Rzeczywista turbina posiada większą liczbę wirujących pól magnetycznych indukujących prądy w wielu uzwojeniach jednocześnie.

Rysunek 1: Działanie generatora z wirującym magnesem indukującym prąd kolejno w każdym zwoju uzwojenia

Rysunek 2 przedstawia ręczne uzwajanie tego rodzaju maszyny. Cewka jest nawijana w sposób ciągły drutem miedzianym podawanym ze szpul widocznych za stojanem. Ta część generatora jest nieruchoma i dlatego nazywa się stojanem.

(Dzięki uprzejmości Enercon)

Rysunek 2: Ręczne układanie miedzianego uzwojenia stojana generatora

Rysunek 3 przedstawia wirnik, wprawiany w ruch obrotowy przez łopaty turbiny. Magnesy są umocowane na zewnątrz wirnika i przemieszczając się w ruchu obrotowym względem uzwojeń stojana, indukują w nich prądy. Jest to uproszczony schemat, ukazujący w jaki sposób pole magnetyczne wirnika wiruje względem uzwojeń stojana.

Rysunek 3: Uproszczony schemat pola magnetycznego wirnika przenikającego kolejno uzwojenia stojana

(Dzięki uprzejmości Enercon)

Rysunek 4: Fotografia ukazuje rozmiary wirnika generatora. Pracownicy mają
2 metry wzrostu.

(Dzięki uprzejmości Enercon)

Rysunek 5: Umieszczenie ogromnego wirnika w stojanie. Porównaj z rysunkiem 4, aby zobaczyć jak duży jest stojan.

(Dzięki uprzejmości Enercon)

Rysunek 6: Podnoszenie generatora na szczyt wieży turbiny wiatrowej. Zespół waży 30 ton, około jedna trzecia tego ciężaru to miedź.

Rysunek 6 przedstawia kompletny zespół generatora podnoszony do gondoli turbiny wiatrowej.

Inne rozwiązanie polega na umieszczeniu ruchomych magnesów na zewnątrz uzwojeń stojana, jak pokazano na rysunku 7 (poniżej). W obydwóch rozwiązaniach uzwojony stojan jest nieruchomy, co pozwala uniknąć wykonania i konserwacji ruchomych połączeń odbierających prąd.

(Dzięki uprzejmości Vensys)

Rysunek 7: Generator, w którym magnesy wirują wokół uzwojeń, stosowany w turbinach wiatrowych firmy Vensys

Pytania i działania

1. Dlaczego w uzwojeniach generatora stosuje się miedź?

2. Na rysunku 2 drut miedziany jest ciemniejszy niż czysta miedź. Zaproponuj odpowiedź dlaczego tak jest.

3. Wyszukaj w dostępnych źródłach, jaka jest moc elektryczna wytwarzana przez nowoczesne turbiny wiatrowe. Jaką największą moc znalazłeś? Czy to może być górna granica?

Odpowiedzi

1. Dlaczego w uzwojeniach generatora stosuje się miedź?

Miedź jest miękka i kowalna, dzięki czemu można z niej formować skomplikowane kształty. Miedź także posiada bardzo wysoką przewodność elektryczną, umożliwiającą przewodzenie prądów o dużym natężeniu bez przegrzewania.

2. Na rysunku 2 drut miedziany jest ciemniejszy niż czysta miedź. Zaproponuj odpowiedź dlaczego tak jest.

Miedziany drut nawojowy jest pokryty warstwą emalii, dzięki czemu każdy zwój jest izolowany od sąsiedniego.

3. Wyszukaj w dostępnych źródłach, jaka jest moc elektryczna wytwarzana przez nowoczesne turbiny wiatrowe. Jaką największą moc znalazłeś? Czy to może być górna granica?

Od roku 2014 największe turbiny osiągają moce około 8 MW. Moc zależy od długości łopat. Wraz ze zwiększaniem długości, rozwiązania techniczne stają się trudniejsze.