European Copper Institute Poland

Miedź w energetyce wiatrowej 2

 

Napędzanie generatora to zadanie łopat turbiny. Ta strona pokazuje, że przy użyciu prostych równań fizyki można całkiem łatwo obliczyć dostępną moc.

Obliczenie energii i mocy

Wyobraźmy sobie objętość powietrza w kształcie walca, podążającą w kierunku turbiny wiatrowej. Jeżeli potrafimy obliczyć jak dużą energię kinetyczną ona posiada, to możemy obliczyć wielkość dostępnej energii. Ilość dostępnej energii na sekundę, daje nam moc.

Te pytania doprowadzą cię do rozwiązania

Jaka jest objętość powietrza w wyobrażonym walcu?

Gęstość powietrza wynosi 1,2 kg m-3. Jaka jest masa powietrza?

Długość walca wynosi 15 metrów a szybkość wiatru 15 ms-1 , zatem cała objętość walca przepływa przez turbinę w ciągu 1 sekundy. Jaka jest masa powietrza przepływającego przez walec w ciągu 1 sekundy?

Energia kinetyczna = 1/2 mv2. Jaka jest energia kinetyczna powietrza o objętości walca, która przepływa przez turbinę?

Jeżeli cała ta energia kinetyczna jest przekazywana do turbiny w ciągu 1 sekundy, jaka jest moc turbiny?

Czy sądzisz, że cała ta energia zostanie przekazana? Zobacz rysunek2.

Gdyby cała energia została pobrana z wiatru, to po przejściu przez turbinę powietrze zatrzymałoby się. Okazuje się, że nigdy nie można przekształcić w energię ruchu obrotowego turbiny więcej niż 59% energii wiatru.

Czy wysokość robi jakąkolwiek różnicę w dostępnej energii?

Rysunek 1: Nowoczesne morskie turbiny wiatrowe są bardzo duże

(Wikimedia)

Rysunek 2: Schemat ukazujący dlaczego nie jest możliwe wykorzystanie 100% energii wiatru przez turbinę.

(Dzięki uprzejmości firmy Siemens.)

Rysunek 3: Turbina firmy Siemens o mocy 6 MW i promieniu 77 m. Powierzchnia omiatania wirnika wynosi 18 629 m2, a maksymalna szybkość obrotowa wynosi 11 obr/min.

(Dzięki uprzejmości firmy Enercon)

Rysunek 4: Izolowane miedziane kable odchodzące od generatora mogą przewodzić bardzo duże prądy.

(Dzięki uprzejmości firmy Enercon)

Rysunek 5: Energia elektryczna wytwarzana przez turbinę wiatrową musi być dopasowana do parametrów sieci elektroenergetycznej, którą zasila. Wymaga to stosowania transformatorów i systemów regulacji. Wszystkie te urządzenia wykorzystują miedź, co zapewnia im efektywność energetyczną. Podstawa wieży jest pokryta miedzioniklem w celu zapobieżenia zanieczyszczeniom biologicznym (mikroorganizmy, glony, rośliny, zwierzęta), które inaczej mogłyby porastać wieżę lub przenikać do niej; w takim przypadku wchodzenie do wieży ze statku byłoby bardzo niebezpieczne.

Turbiny pływowe

(Dzięki uprzejmości firmy Alstom)

Rysunek 6: Ta turbina pracuje pod wodą. Łopaty są krótsze, ponieważ przepływająca woda wywiera ogromne siły, który mogłyby uszkodzić dłuższe łopaty. Elektryczność i woda nie mogą stykać się ze sobą, zatem obudowa generatora i łożyska wału wirnika muszą być całkowicie wodoszczelne. W razie potrzeby konserwacji lub napraw, cały zespół musi być podniesiony na statek.

(Dzięki uprzejmości firmy Alstom)

Rysunek 7: Turbina pływowa w trakcie instalowania

Pytania i działania

1. Jaka jest matematyczna zależność między szybkością wiatru i mocą wyjściową?

2. Jaka jest matematyczna zależność między długością łopaty i mocą wyjściową?

3. Jaka jest maksymalna szybkość końcówek łopat turbiny na rysunku 3, w km/godz?

4. Równanie pozwalające obliczyć moc elektryczną ma postać:
moc P [W] = napięcie U [V] x prąd I [A] (P=UI).
Jeżeli napięcie generatora wynosi 690 V a moc wyjściowa 6 ME, to jaka jest wartość prądu w amperach, płynącego przez kable do połączenia z siecią w podstawie wieży?

5. Turbina pływowa wykorzystuje energię przepływającej wody. Porównaj gęstość wody z gęstością powietrza. Ilokrotnie większą energię kinetyczną posiada płynąca woda w porównaniu z powietrzem, przy wietrze wiejącym z taką samą prędkością?