Elektrownie wiatrowe - serwis informacyjny

Renewable Energy World, Autor : Eize de Vries
Konsultant i dziennikarz specjalizujący się w energetyce wiatrowej.
Tłumaczenie Paweł Włoch
EPA Spółka z o.o. Dział Nowych Technologii

Na wielką skalę

Pod koniec sierpnia 2002 roku postawiono prototyp największej komercyjnej turbiny niedaleko Magdeburg we wschodniej części Niemiec : Enercon E-112 4,5 MW.

Widziana z dużej odległości, podczas jazdy przez pola uprawne, E-112 - ze znajomym kształtem gondoli w kształcie skorupki jajka - zdaje się być ogromna, oraz niepożądana. Obecnie jest gigantyczną turbiną, mając wysokość wieży 124 m oraz średnicę śmigła 112,8 m. Wchodzi w skład istniejącego już w tym miejscu parku wiatrowego, wybudowanego rok temu około 20 km na południe od Magdeburga. Park ten składa się z 9 turbin ENERCON E-66 o mocy 1,8 MW (wysokość wieży - 98 m), dwóch ENERCON E-40, moc 500 kW, oraz dwóch turbin GE 1,5 MW. E-112 wydaje się być turbiną E-66 stojącą pośród turbin E-40 600 kW.

Wieża turbiny E-112, skonstruowana metodą zoptymalizowanego nacisku, posiada podstawę o wymiarze 12 m u dołu, zwęża się do wewnątrz osiągając 4 m średnicy u góry. Wieża ta została skonstruowana w zeszłym roku, wykorzystując metodę tzw. zjeżdżającej okiennicy, która wcześniej znalazła zastosowanie przy 9 wieżach sąsiednich turbin E-66. Przestronna podłoga wewnątrz turbiny jest podzielona na 2 sekcje, z których każda posiada własne wejście. Jedna sekcja zawiera 3 ogromne transformatory ( jeden z nich jest rezerwowy). W drugiej sekcji zainstalowana jest winda, panel sterowania, oraz szafa energetyczna. Zwiedzenie gondoli pod koniec sierpnia było niemożliwe ze względu na prowadzone prace wykończeniowe i testy turbiny.

Oczekiwania

E-112 po raz pierwszy została zapowiedziana kilka lat temu, ale ze śmigłem o średnicy 120 m. Jednym z pomysłów, który nigdy nie został zrealizowany, było postawienie turbiny jako atrakcyjnego stałego symbolu Hanover World Fair w roku 2000.

W rezultacie, instalacja długo oczekiwanej turbiny E-112 została przesunięta o rok. Nie jest to jednak poważne opóźnienie gdyż często zdarzają się podobne w przemyśle energetyki wiatrowej. Liczba rywali dla Enerconu, takich jak Repower, Nordex, Pfleiderer wind energy oraz Neg Micon/DOWEC, doprowadziła również do zapowiedzi morskich turbin o mocy 5 MW, a nawet 6 MW. Jednak specjaliści twierdzą, że stworzenie prototypów o tych mocach jest w tyle za E-112 od 1 roku do 3 lat. Istotnym elementem założeń do przyszłych turbin prototypowych jest fakt, iż mają pracować na bazie konwencjonalnego systemu sterowania z wielostopniową skrzynią biegów oraz szybkobieżnym generatorem. Dwa główne wyjątki jakie dokonano dotychczas to bezpośredni napęd oraz innowacyjny "Pfleider Mutibrid", umieszczony pomiędzy jednostopniową skrzynią biegów oraz generatorem średniej prędkości.

Turbina E-112 sprawność osiągnęła we wrześniu 2002 roku, co również zaznaczało początek testów. Wyniki pomiarów zostaną przede wszystkim porównane z wynikami dostarczonymi z komputerowej symulacji i uwzględnione podczas projektowania drugiego prototypu E-112.

Drugi prototyp zostanie postawiony niedaleko portu w Wilhelmshaven (północna cześć Niemiec) w 2003 roku. Oczekuje się, że roczna produkcja wyniesie 15 milionów kWh. Otrzymano również zezwolenie na posadowienie E-112 na morzu niedaleko Wilhelmshaven, około 550 metrów od brzegu. Wprowadzenie na rynek turbin przewiduje się około 2004-5 roku.

Instalacja

Enercon założył, że instalacja turbiny zajmie 3 tygodnie, lecz okazało się, że można ten czas skrócić do dwóch tygodni. "Podczas instalacji nie zdarzyło się nic nieprzewidzianego. Przy erekcji E-112 pracowały dwa specjalnie dobrane zespoły, od 7 rano do 9 wieczorem", wyjaśnia rzecznik firmy Claus Pescha. "Było to możliwe do osiągnięcia, pomimo skomplikowanych działań logistycznych, wagi i wymiarów niektórych elementów. Ogromne pojedyncze elementy, tak jak płaty śmigła o długości 52 metrów oraz piasta, transportowano ze SKET na plac budowy nocą, wykorzystując drogi publiczne."

Płaty (każdy waży 20 ton) musiały być podnoszone pojedynczo - z pozycji horyzontalnej - przez dwa ogromne dźwigi, następnie przymocowywane do piasty i obracane za pomocą lin przyczepionych do nich.

Technologia

Wszystko co jest związane z E-112 jest duże. Pierścień bezpośredniego napędu generatora - dotychczas najważniejszy element turbiny - ma średnicę 10 metrów i składa się z kilku elementów. Enercon zdecydował się na zaprojektowanie generatora w kilku elementach, ze względu na jego produkcję jak i transport.

"Stojan, składający się z czterech sekcji, montowany jest w połówki przed jego ostatecznym osadzeniem", mówi projektant konstrukcji Werner Fricke. "Rotor generatora składa się z dwóch części, które są łączone przed zamontowaniem generatora."

Dokładność w produkcji tak ogromnego generatora jest znacznie łatwiejsza do osiągnięcia. Znacznie trudniej jest osiągnąć taką samą dokładność w dopasowaniu elementów w przypadku generatora mniejszego o połowę. Wyzwaniem dla konstruktorów jest stworzenie takich elementów, które w warunkach przeciążenia mechanicznego i termicznego nie odkształciłyby się.

Na tym etapie realizacji inwestycji, Fricke nie chciał ujawnić napięcia wyjściowego generatora ( dla turbin od 30 do 1800 kW wynosi ono 400V), co jest tematem wielu spekulacji w kręgu przemysłu energetyki wiatrowej. Pewne jest, że Enercon po raz kolejny stara się udowodnić słuszności wykorzystania koncepcji synchronicznego generatora z zewnętrznym rotorem. Ta technologia została dotychczas wykorzystana w ponad 5000 turbinach Enercon z bezpośrednim napędem. Projekt ten pozostaje w kontraście z obecnie wykorzystywanym (np. przez Lagerway) modelem generatora czasowo magnesowanego. Poprzedzając erekcję E-112, wcześniejszy pionier w produkcji największej turbiny zainstalował generator o bezpośrednim napędzie (4000V) firmy ABB w nowej turbinie LW 72 Zephyros 2MW.

Projektowe wyzwania dla dużych turbin związane z prawem przyrostu kwadratowo-sześciennego

Turbina E-66 1.8MW, której całkowita masa gondoli (generator, piasta, płaty, urządzenia sterujące) wynosi około 101 ton, nie jest uważana za rzeczywiście lekką w swojej klasie. Dla porównania gondola turbiny E-112 waży 500 ton. Wynika to niewątpliwie z nielubianego przez konstruktorów prawa kwadratowo sześciennego. Skala tego prawa dyktuje, że w wypadku gdy długość lub szerokość elementów wzrasta z wartości 1 do 2, objętość (i masa) wzrasta o współczynnik 23 (=8). Z definicji wynika, że im większe maszyny zastosowano tym odpowiednio większa będzie masa. Projektanci stosują rozmaite strategie, w celu zminimalizowania wpływu prawa kwadratowo-sześciennego, wykorzystując mocniejsze materiały, nowsze programy komputerowe, oraz ulepszone metody projektowania. Według jednej z opinii dla zachowania wagi i równocześnie tych samych parametrów wytrzymałości mechanicznej oraz wymaganej sztywności konstrukcji jest wykorzystanie wydrążonych elementów. Dobrym przykładem strategii projektowania jest stojan ramowy turbiny E-112, który składa się z sześciu dokładnie wykonanych szczebli.

Kolejnym wyzwaniem dla inżynierów przy projekcie E-112 było wykonanie poszycia. Pomijając dużą powierzchnię poszycia, jest ono bardzo cienkie. Ma to na celu zmniejszenie wagi turbiny. Ta kombinacja stawia wysokie wymagania umiejętnościom podwykonawcy, oraz wymaga ściśle kontrolowanego systemu chłodzenia elementów podczas wykonywania konstrukcji, w celu uniknięcia wywołania pęknięć w poszyciu. Pfleiderer Wind Energy w porównaniu do E-112 deklaruje masę gondoli turbiny Multibrid M5000 5MW, która wynika z projektu, na poziomie około 230 ton. Mimo wszystko projekt Multibrid jest nowy i obecnie oczekuje się jego realizacji (erekcja planowana jest na przyszły rok w okolicy Bremerhaven, w północnych Niemczech).

Prawdziwe zalety

Jeżeli pewien projekt dowiedzie swej wyższości w osiągnięciu mniejszej wagi turbiny, będzie to dotyczyć tylko jednego z aspektów dotyczących projektu, a najważniejszym kryterium w ocenie przyszłych projektów morskich turbin o dużej mocy (napędy bezpośrednie, układy hybrydowe, układy przekładniowe) będzie cena wyprodukowanej przez nie energii w okresie 20 lat ich funkcjonowania, a nie ich masa.

TYP	Enercon E-112
Moc nominalna	4.5 MW
Średnica śmigła	112.8 metrów
Powierzchnia zataczana	10,000 m2
Ilość obrotów/minuta	8-12
Orientacja	Upwind (Nawietrzna)
Generator	Napęd bezpośredni, model synchroniczny
Inverter	Typ AC-DC-AC projekt firmy Enercon
Sterowanie	Sterowanie kątem nastawienia płatów
Bezpieczeństwo	Niezależna regulacja płatów
Wysokość wieży	124 metrów
Producent płatów	Abeking & Rasmussen (Lemweder, Germany)
Ciężar płatów	20,000 kg
Długość płatów	52 metry
Materiał do produkcji płatów	Glass Fibre Reinforced Epoxy (GFRE)
Masa gondoli i śmigła	440,000 kg
Całkowita masa gondoli	500,000 kg

Wszelkie prawa zastrzeżone.
Created by Paweł Premicz 2000-2006 KVM