Łopaty wirnika


Kształt oraz materiał z jakiego zbudowane są łopaty wirnika, w dużej mierze zdeterminowane są przez moc elektrowni wiatrowej. W mikro elektrowniach wiatrowych długość łopaty nie przekracza jednego metra. Ze względu na minimalizację kosztu wyrobu tego elementu, tworzone są najczęściej ze stali bądź z aluminium. Już dla małych elektrowni wiatrowych materiał ten w związku z jego dużym ciężarem właściwym jest niedopuszczalny. Dlatego też w przypadku instalacji przydomowych często wykorzystuje się łopaty tworzone z wysokiej klasy drewna ze względu na niski koszt takiego rozwiązania. Natomiast we współczesnych elektrowniach wiatrowych łopaty wykonuje się z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem bądź żywicą epoksydową. Dodatkowo w celu wzmocnienia konstrukcji łopat stosuje się włókna węglowe lub kevlaru. Jednak rozwiązanie to jest bardzo kosztowne. Na potrzeby małych elektrowni wiatrowych wykonuje się łopaty o długości nie przekraczającej zwykle 8m. Natomiast w przypadku dużych elektrowni, których moc może osiągać wartość 4,5MW długość łopat wynosi nawet 56m. Zwykle współczesne turbiny wiatrowe posiadają dwie lub trzy łopaty. Występujące w nich mechaniczne naprężenia będące skutkiem siły odśrodkowej oraz zmęczenie materiału spowodowane ciągłymi wibracjami sprawiają, że łopaty wirnika są najsłabszym ogniwem w całej strukturze elektrowni wiatrowej. Jednak mechaniczne naprężenia powstające na skutek silnego wiatru, mogą być utrzymywane na dopuszczalnym poziomie, dzięki zastosowaniu układu kontroli prędkości wirnika. Jednym z rodzajów takiej regulacji jest pasywna regulacja przez przeciągnięcie (passive stall controlled rys. 1a), wykorzystywana głównie w małych elektrowniach wiatrowych. Zakłada ona, że łopaty są na stałe zamontowane do piasty wirnika pod optymalnym kątem opt. Przy prędkości wiatru powyżej prędkości startu oraz poniżej prędkości znamionowej, przepływ powietrza od krawędzi natarcia do krawędzi spływu odbywa się po powierzchni łopaty (przepływ laminarny). Wynikiem tego zjawiska jest powstanie siły nośnej, która powoduje ruch obrotowy wału turbiny. Jednak powyżej prędkości znamionowej wiatru przepływ powietrza nie odbywa się już po powierzchni płata, przez co nie osiąga ono krawędzi spływu, powodując w jej okolicach powstawanie powietrznych wirów (efekt przeciągania). W wyniku tego zjawiska przy wzroście prędkości wiatru powyżej prędkości znamionowej, siła nośna wywierana przez powietrze na płat wirnika nie wzrasta, a pozostaje praktycznie na stałym poziomie podobnie, jak prędkość obrotowa wału. Odmianą tego sposobu regulacji prędkości obrotowej wirnika jest aktywna regulacja przez przeciągnięcie (active stall controlled rys. 1b). W porównaniu z metodą typu "passive" wykorzystuje ona również regulację kąta nachylenia łopat. W rezultacie otrzymuje się możliwość precyzyjnej kontroli prędkości obrotowej wału, a co za tym idzie mocy wytwarzanej przez generator. Umożliwia również pracę generatora w warunkach znamionowych przy większych podmuchach oraz przy wysokich prędkościach wiatru.


Rys. 1. Regulacja prędkości wirnika: a) z wykorzystaniem efektu przeciągania na łopacie turbiny przy stałym kącie nachylenia łopat, b) z wykorzystaniem efektu przeciągania na łopacie turbiny przy zmianie kąta nachylenia łopat, c) przez zmianę kąta nachylenia łopat (V - prędkość wiatru, ω - prędkość kątowa wirnika, R - promień wirnika, Vr względna prędkość wiatru, α - kąt natarcia, - kąt nachylenia łopat)

Kolejnym sposobem regulacji prędkości obrotowej łopat wirnika, a co za tym idzie również mocy wytwarzanej przez generator jest regulacja kąta nachylenia łopat (pitch controlled rys. 1c). Podczas silnych podmuchów zmiana kąta powoduje, że wartości składowej siły nośnej zostaje zredukowana, co w konsekwencji sprawia, że prędkość obrotowa wirnika maleje. Mechanizm regulacji kąta natarcia jest zazwyczaj realizowany za pomocą urządzeń hydraulicznych umieszczonych w piaście wirnika.