W naszym otoczeniu, na łąkach i ugorach, rozległych pustyniach, połoninach górskich, a w ostatnich latach często w pasie morskiego wybrzeża, pojawiają się coraz częściej liczne tzw. farmy wiatrakowe, będące w gruncie rzeczy małymi elektrowniami, produkującymi w 100% czystą ekologicznie energię elektryczną. Turbiny wiatrowe mają coraz większe moce, skutkiem czego również coraz bardziej korzystny jest dla nich stosunek ilości wytwarzanej energii do kosztów jej uzyskania. Według danych Amerykańskiej Agencji Energii Wiatrowej w roku 2008 średnia moc pojedynczej instalowanej turbiny wiatrowej wynosiła 1,67 MW, gdy tymczasem aktualnie górna granica mocy wynosi 5?6 MW dla turbin instalowanych zwykle na nadmorskich brzegach i pasach wód przybrzeżnych. W najbliższych latach planuje się budowę i instalację jeszcze większych turbin.
Z historycznego punktu widzenia, z wyjątkiem kilku krajów europejskich, energia wiatrowa zawsze stanowiła bardzo niewielki odsetek ogólnie wytwarzanej energii elektrycznej, pozyskiwanej w większości z konwencjonalnych, zwykle mało ekologicznych źródeł. Jednak w ostatnich kilkunastu latach w branży tej ?powiał wiatr przemian?. Według danych Światowej Rady Energii Wiatrowej, w instalacji turbin wiatrowych przodują Stany Zjednoczone ? 25,2 GW w roku 2008, wyprzedzając Niemcy ? 23,9 GW, Hiszpanię ? 16,8 GW i Chiny ? 12,2 GW. Obserwując rozwój branży, w najbliższych latach spodziewane jest objęcie pozycji lidera przez Chiny.
Jak taki generator wiatrowy wygląda w praktyce? W tzw. gondoli każdej turbiny wiatrowej, umieszczonej na słupie o wysokości około 135 m, znajduje się napęd elektryczny, układy mechaniczne i hydrauliczne wraz z niezbędnymi układami elektronicznymi, sterownikami itp. Długość łopaty przymocowanej do wirnika może niejednokrotnie sięgać nawet 100 m. Wspomniany sprzęt i oprzyrządowanie musi być zatem na tyle wytrzymałe, by nie ulec uszkodzeniu przy wibracjach, jakim ulega gondola, przy zmiennych warunkach pogodowych, różnych obciążeniach systemu oraz zmiennych prędkościach wiatru itd.
Sterowanie położeniem gondoli i kątem nachylenia łopat turbiny
Wydaje się, że najbardziej kosztownym elementem każdej turbiny wiatrowej są jej łopaty, które muszą być odpowiednio wytrzymałe mechanicznie, ale również wymagają precyzyjnych układów sterowania i zabezpieczeń. Sterowanie obejmuje dwa parametry pracy takich łopat. Pierwszy z nich to sterowanie kąta nachylenia (natarcia), wpływające bezpośrednio na poziom mocy wyjściowej i momentu obrotowego uzyskiwanego z powiewów wiatru, dzięki optymalnemu ustawieniu łopat w stosunku do strumienia powietrza. Drugi układ sterujący optymalizuje ustawienie całej gondoli w stosunku do kierunku wiatru lub umożliwia w razie potrzeby takie jej ustawienie, by turbina została zatrzymana. ? Oba układy sterowania pracują w zasadzie niezależnie, choć w rzeczywistości algorytm sterowania kątem nachylenia łopat jest zależny od niektórych nastaw układu regulacji pozycji gondoli ? przyznaje Henrik Stiezdal z firmy Siemens Wind Power. ? Samo dobre ustawienie pozycji gondoli ma bardzo niewielki wpływ na uzyskiwany w turbinie poziom mocy, dlatego też ten układ sterowania przekazuje informacje o swoich nastawach do układu sterowania kątem natarcia łopat wirnika i w tym sensie można je postrzegać jako powiązane ze sobą ? dodaje.
? O ile układy sterowania kątem nachylenia łopat i pozycją gondoli są fizycznie rozdzielone, to jednak w praktyce współpracują w celu uzyskania jak największej mocy wyjściowej turbiny w określonych warunkach środowiskowych, uwzględniając zmiany kierunku i siły wiatru, jak również optymalnych parametrów rozruchu oraz bezpieczeństwa pracy turbiny w ewentualnych trudnych warunkach pogodowych ? wyjaśnia Dan Throne z firmy Bosch Rexroth. Sterowanie kątem natarcia łopat pozwala również na zmniejszenie prędkości turbiny, tak by nie przekroczyć mocy granicznej, dopuszczalnej dla danego generatora.
Ze względu na częste zmiany siły wiatru i jej rozkładu na powierzchni obejmowanej przez łopaty turbiny, niezbędna jest możliwość indywidualnego sterowania każdej z nich. W praktyce bowiem całkowicie odmienne warunki atmosferyczne mogą panować w części górnej i dolnej wiatraka. W najnowszych dużych turbinach każda łopata instalowana jest na swoim własnym silniku, umożliwiającym regulację jej kąta natarcia. Sterowanie położeniem gondoli realizowane jest z kolei poprzez układ kilku silników/napędów wraz z odpowiednimi przekładniami. Silniki układu sterowania kątem pochylenia łopat i pozycji gondoli mogą być układami elektromechanicznymi bądź hydraulicznymi.
Przetwarzanie energii w turbinie
Energia siły wiatru obracająca wirnikiem turbiny musi być przetworzonana użyteczną energię elektryczną w układzie generatora. Często, ale nie zawsze, przed generatorem stosowana jest odpowiednia przekładnia mechaniczna (rodzaj skrzyni biegów), zwiększająca prędkość obrotową wirnika do poziomu odpowiedniego dla konkretnego typu generatora. Sygnał elektryczny z generatora, charakteryzujący się pewną niestabilnością poziomów napięcia i częstotliwości, przetwarzany jest w odpowiednim module konwertera na sygnał o ustalonej wartości napięcia i częstotliwości na poziomie 50 lub 60 Hz (rys. 2 ? Przetwarzanie energii?) i w takiej postaci dopiero przyłączany do sieci systemu energetycznego. Wspomniany moduł konwertera ma dwie sekcje, stanowiące swego rodzaju interfejs pomiędzy układem turbiny wiatrowej a siecią energetyczną prądu przemiennego; często instalowany jest on w jednej obudowie z turbiną, chłodzonej powietrzem lub cieczą, rzadziej w oddzielnej stacji, w pobliżu turbiny.
Turbiny wiatrowe projektowane są tak, by mogły działać prawidłowo w dość szerokim zakresie prędkości napędzającego je wiatru. Typowe dla nich charakterystyki pracy, z pewnymi różnicami zależnymi od rozmiarów turbiny, zawierają (rys. 3. ? Krzywa energetyczna):
- prędkość wiatru graniczną dolną, przy której turbina może być załączona do sieci jako generator ? zwykle około 3 m/sek.,
- prędkość wiatru optymalną/znamionową, przy której uzyskuje się maksymalny poziom energii na wyjściu turbiny ? zwykle około 12?13 m/sek.,
- prędkość wiatru graniczną górną ? zagrażającą konstrukcji turbiny wiatrakowej ? zwykle jest to około 25 m/sek. (wichura; 9 stopni w skali Beauforta).
W przypadku wystąpienia prędkości granicznej górnej wiatru łopaty wiatraka są automatycznie ustawiane w pozycji bezpiecznej ? równolegle do strumienia powietrza, turbina jest odłączana od sieci energetycznej, a specjalny system hamulców zatrzymuje turbinę i utrzymuje wirnik w pozycji nieruchomej. Ten sam układ hamulcowy wyhamowuje turbinę w przypadku nagłego odłączenia obciążenia w systemie energetycznym oraz odciąża układ silników sterujących pozycją gondoli w przypadku jej bezruchu.
Systemy sterowania 
Systemy sterujące turbiną zbierają informacje o sile i kierunku wiatru oraz innych parametrach atmosferycznych z anemometrów i różnych czujników, umieszczonych zwykle na górnej części obudowy gondoli. Ta swego rodzaju miniaturowa stacja pogodowa komunikuje się również z opisanymi już wcześniej układami sterowania kątem nachylenia łopat i pozycją gondoli. Z kolei energia elektryczna i dane pomiarowe z wirnika turbiny przekazywane są do systemu sterowania, najczęściej z pośrednictwem pierścieni ślizgowych.
? Na podstawie takich danych algorytm sterujący, zawarty najczęściej w specjalnym oprogramowaniu dedykowanym do systemu sterującego konkretnej turbiny, podejmuje decyzje o uruchomieniu, rytmie pracy czy wyłączeniu generatora i turbiny ? wyjaśnia Cliff D. Cole, kierownik działu napędów niskonapięciowych w firmie ABB.
Funkcje monitoringu zewnętrznych warunków atmosferycznych, stanu pracy turbiny, aktualnych ustawień kąta natarcia łopat i pozycji gondoli, parametrów układów hamowania, zdalnego monitoringu stanu pracy turbiny i generatora, realizuje się w praktyce w układach redundantnych sterowników. Główny sterownik turbiny komunikuje się z nadrzędnym systemem monitoringu i zarządzania ? zwykle SCADA, obsługującym najczęściej kilka turbin lub całą tzw. farmę wiatrową. Dostęp do tego systemu możliwy jest poprzez lokalną sieć bezprzewodową lub Internet. Na przykład system sterowania WindControl, oferowany przez firmę GE Energy, pozwala na obsługę farmy wiatrowej w konwencji nieodbiegającej od zarządzania tradycyjną elektrownią, dzięki zunifikowanemu i prostemu systemowi sterowania kątem natarcia łopat i momentem obrotowym kilku turbin, nawet przy zmiennym wietrze i różnych parametrach obciążeniowych zasilanej sieci energetycznej. Współpracujący z układem sterowania system WindSCADA oferuje odpowiednie narzędzia operatorskie, zarówno do funkcji sterowniczych, jak i monitoringu oraz sprawozdawczości.
Firma GE Energy oferuje turbiny wiatrowe w trzech wariantach: 1,5 MW, 2,5 MW, 3,6 MW. Turbina 1,5 MW oraz 3,6 MW to układy z generatorami asynchronicznymi dwuuzwojeniowymi, a turbina 2,5 MW ma generator z magnesem trwałym i pełnym układem konwertera.
Wybór generatora i układu konwertera
Pośród wielu możliwych wariantów konstrukcji generatorów do turbin wiatrowych, aktualnie najpopularniejszą jest technologia maszyn asynchronicznych dwuuzwojeniowych. Swą popularność zawdzięcza ona przede wszystkim dość sporemu doświadczeniu w zakresie obsługi i możliwości technicznych tego typu układów maszynowych oraz ich dostępności. W zasadzie bowiem generator to silnik elektryczny, tylko pracujący w odwrotnym cyklu przetwarzania energii ? z wymuszonych obrotów wału na energię elektryczną. W ostatnim okresie w turbinach wiatrowych pojawiają się również układy generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi. Każda ze wspomnianych konstrukcji ma swoje wady i zalety.
Podstawową zaletą układów asynchronicznych dwuuzwojeniowych jest współpraca ze znacznie mniejszymi modułami konwerterów ? redukcja mocy konwertera do poziomu około 30%, w stosunku do mocy znamionowej turbiny. To oczywiście pozwala na zmniejszenie kosztów zakupu. ? Taki konwerter musi wytworzyć strumień magnetyczny tylko dla wirnika generatora, ponieważ stojan maszyny dwuuzwojeniowej podłączony jest bezpośrednio do sieci energetycznej. Skutkuje to bardzo wysokim współczynnikiem sprawności energetycznej takiego układu przy jego pracy z prędkością znamionową ? stwierdza jeden z przedstawicieli działu napędów elektrycznych firmy ABB.
Generatory z magnesami trwałymi wymagają konwerterów w pełni dopasowanych mocowo do własnej mocy znamionowej. Maszyny indukcyjne wymagają jednak pracy z bardzo wysokimi prędkościami obrotowymi, zapewnianymi im przez odpowiednie przekładnie mechaniczne ? skrzynie biegów. ? Generatory indukcyjne to maszyny sprawdzone, wytrzymałe i niezawodne, a przy tym wszystkim stosunkowo tanie ? dodaje jeden z ekspertów firmy Siemens. Mają one jednak też dość istotną wadę ? ograniczoną zdolność do optymalnej współpracy z najnowszymi i przewidywanymi w przyszłości architekturami sieci energetycznej. Ponadto sprawność energetyczna tego typu generatorów spada radykalnie przy prędkościach obrotowych niższych od nominalnej, ze względu na to, że wirnik zaczyna pobierać moc czynną. Ogranicza to zakres dopuszczalnych prędkości pracy turbiny i nabiera szczególnego znaczenia w przypadku potrzeby jej funkcjonowania przy niższych i zmiennych prędkościach wiatru.
? Kolejną istotną i trudną kwestią jest utrzymanie właściwego stanu pierścieni ślizgowych, pośredniczących w wytwarzaniu strumienia magnetycznego w uzwojeniach wirnika ? dodaje wspomniany pracownik firmy ABB.
? Maszyny z magnesami trwałymi mogą pracować przy dużych prędkościach, wspierane przez układ przekładni mechanicznych, ale w odróżnieniu od omawianych wcześniej maszyn asynchronicznych mogą być również łączone ?na sztywno?, bez przekładni ? wyjaśnia z kolei pracownik firmy Siemens. ? Generatory tego typu wydają się zatem maszynami bardziej elastycznymi i wydajnymi, są jednak relatywnie droższe od indukcyjnych ? dodaje. Wadą ich jest również pewna trudność z regulacją i ustawieniem poziomu napięcia wyjściowego; w tej kwestii większą elastyczność wykazują maszyny indukcyjne. Istotnego znaczenia w wypadku maszyn z magnesami trwałymi nabierają również takie czynniki, jak: czyszczenie i utrzymanie właściwego poziomu czystości maszyny, temperatura oraz chłodzenie i inne. Skutkiem tego maszyny te wymagają uwzględnienia całkowicie odmiennych parametrów w systemach zarządzania ich pracą i współpracujących z nimi modułach konwerterów. Jak jednak podkreślają eksperci, technologia obsługi tego typu generatorów będzie w najbliższych latach intensywnie rozwijana, a w efekcie na rynku będą dostępne dwie technologie maszyn elektrycznych, możliwych do stosowania w turbinach wiatrowych, dobierane przez inżynierów do konkretnych aplikacji, zależnie od warunków pogodowych i atmosferycznych w danym regionie i stanu technicznego oraz organizacji znajdującej się tam sieci energetycznej.
Trend współczesny ? generatory synchroniczne z magnesami trwałymi
Specjaliści wszystkich firm branży turbin wiatrowych podkreślają ogólny trend rozwojowy, zmierzający do coraz szerszego stosowania w tych urządzeniach synchronicznych generatorów z magnesami trwałymi. Ekspert firmy ABB przedstawia oferowane przez nią projekty. Pierwszy z nich to generator z magnesami trwałymi na duże prędkości obrotowe do 1800 obr./min, zależnie od liczby biegunów i częstotliwości generowanego napięcia, z wielopoziomową skrzynią biegów. Od strony mechanicznej układ jest identyczny jak dla klasycznych maszyn asynchronicznych dwuuzwojeniowych. Projekt drugi to maszyna z magnesami trwałymi na średnie prędkości rzędu 150 obr./min ze skrzynią przekładniową jednopoziomową. I wreszcie projekt trzeci to maszyna na niskie obroty rzędu 17?30 obr./min, z bezpośrednim połączeniem mechanicznym wirnika z wałem turbiny.
Dla wszystkich trzech koncepcji konstrukcyjnych generatorów stosuje się jeden typ modułu konwertera, wyposażonego w zestaw dodatkowych funkcji, zwiększających wydajność i funkcjonalność układu generacji, w stosunku do klasycznych generatorów asynchronicznych oraz ułatwiający dopasowanie turbiny do nowego typu przyłączy sieci energetycznych.
Moduł zapewnia izolację generatora od zmieniających się parametrów napięcia/prądu w liniach energetycznych, umożliwia szybką reakcję układu na ewentualne zwarcia czy wahania/zapady/zaniki napięcia w linii itp. Ponadto takie moduły konwerterów sprzyjają tworzeniu jednolitych standardów obsługi generatorów w turbinach wiatrowych, gwarantując ich dopasowanie do większości popularnych aplikacji. Firmą zaangażowaną w rozwój i popularyzację generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi jest również Switch Controls & Converters Inc. W jej prezentacji, przedstawionej na konferencji WindPower 2009, wiceprezes firmy przedstawił generatory tego typu, z odpowiednimi modułami konwerterów, jako nowy standard i nowy trend rozwoju generatorów dla turbin wiatrowych. Firma ma w swojej ofercie wszystkie trzy odmiany generatorów, podobnie jak przedstawione wcześniej projekty firmy ABB.
Napęd bezpośredni
Wyeliminowanie przekładni mechanicznych upraszcza znacznie konstrukcje turbin wiatrowych, wymaga jednak zastosowania synchronicznych napędów z magnesami trwałymi, pracujących z niewielkimi prędkościami obrotowymi, o znacznej średnicy wałów i stojanów, ze względu na konieczność wbudowania dużej liczby biegunów magnetycznych (80 i więcej). Wysokie koszty i niewielka liczba producentów tego typu generatorów ogranicza popularność ich stosowania w praktyce jedynie do wielkich przedsiębiorstw i firm energetyki wiatrowej. Jednym z największych podmiotów implementujących takie urządzenia jest niemiecki Enercon.
W trakcie prezentacji technologii na konferencji WindPower 2009 przedstawiciel firmy Siemens komentował rozwiązania zastosowane w turbinach napędu bezpośredniego. Wyjaśniał on między innymi, że koszt generatorów w stosunku do ich momentu obrotowego spada wraz ze wzrostem mocy generatora z granicznym punktem opłacalności na poziomie 3,6 MW. W konkluzji stwierdzono, że turbiny z napędem bezpośrednim sprawdzają się idealnie w turbinach instalowanych w pasach wód przybrzeżnych, zaś dla farm wiatrowych na brzegu i w głębi lądu sprawa użytej technologii konstrukcji turbin wciąż pozostaje otwarta.
Ilość energii wytwarzanej przez turbiny wiatrowe wciąż wzrasta. By stała się ona bardziej znaczącym elementem ogólnego systemu produkcji energii i odgrywała większą rolę w ogólnym, światowym systemie energetycznym, konieczne jest rozwiązanie jeszcze kilku istotnych problemów. Są to m.in.: kwestie związane z lokalizacją farm wiatrowych, optymalne warunki atmosferyczne i klimatyczne oraz zdobycie większego uznania i akceptacji ze strony społeczeństwa. Konieczna jest również redukcja kosztów urządzeń i instalacji, umożliwiająca ich popularyzacje, bez konieczności uzyskania dotacji czy preferencyjnych subwencji. Wiele jest bowiem podmiotów potencjalnie zainteresowanych aplikacją turbin wiatrowych np. w większych przedsiębiorstwach, osiedlach itp., jednak koszty instalacji oraz brak zrozumienia ze strony lokalnych społeczności, stanowi jak dotąd jedną z największych barier w praktycznej realizacji wspomnianych zamiarów.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza, AGH Kraków