Komponenty i rozwiązania dla energetyki odnawialnej

Energetyka wiatrowa jest jedną z prężniej rozwijających się gałęzi energetyki odnawialnej. Ze względu na jej potencjał wciąż przybywa takich instalacji na lądzie i na morzu, co z kolei napędza postęp w zakresie technologii ich kluczowych komponentów. Takimi są turbiny, które odpowiadają za konwersję energii kinetycznej wiatru w energię mechaniczną w postaci ruchu obrotowego wirnika. Następnie jest ona przekazywana do generatora, który zamienia energię mechaniczną w elektryczną. Napęd, ze względu na rolę, jaką odgrywa i przez to jego wpływ na osiągi całej instalacji, jest w kręgu zainteresowania projektantów turbin wiatrowych. W tym zakresie dominują, zarazem konkurując ze sobą, przede wszystkim dwie konstrukcje: napędy z przekładnią i napędy bezpośrednie. Dalej przedstawiamy zalety i ograniczenia obu i analizujemy, jakie są ich szanse na zmonopolizowanie rynku turbin wiatrowych w przyszłości.

Rola przekładni, napędy bezpośrednie

W tego typu turbinach wirnik o małej prędkości obrotowej jest połączony z generatorem, który wymaga większej szybkości obrotów, za pośrednictwem przekładni, która tę różnicę niweluje. Typowe wartości współczynnika przełożenia wynoszą w przybliżeniu 100:1, a nawet więcej, co pozwala uzyskać szybkość rzędu kilku tysięcy obrotów na minutę przy prędkości wirnika rzędu kilku–kil kudziesięciu obrotów na minutę. Obecność przekładni komplikuje konserwację oraz wymaga rozwiązań chroniących ten element turbiny przed niszczącym wpływem uciążliwych czynników środowiskowych (wysokich, niskich temperatur, wilgoci, drgań, pyłów) i naprężeń.

Na te ostatnie komponenty przekładni są narażone w związku ze specyfiką źródła energii – im silniejszy i bardziej zmienny wiatr, tym większe obciążenie i prawdopodobieństwo uszkodzenia, zwykle większe w przypadku morskich niż lądowych farm wiatrowych.

Aby uniknąć tych ograniczeń i nieuniknionych strat energii w układzie przenoszenia napędu, opracowano napędy bezpośrednie – pierwsze tego typu konstrukcje zostały wprowadzone w latach 90. ubiegłego wieku. Wirnik jest w nich połączony z generatorem synchronicznym typu PMG (Permanent Magnet Generator) albo EESG (Electrically Excited Synchronous Generator). Te drugie nie mają magnesów trwałych. Pierwsze z kolei wyróżnia mniejsza waga i kompaktowa konstrukcja, jak też większa sprawność energetyczna. Choć są w nie głównie wyposażane turbiny o małej mocy, można w oparciu na nich konstruować również instalacje o mocy rzędu megawatów.

Przekładnie vs napędy bezpośrednie

Generalnie, ze względu na wymagania w zakresie momentu obrotowego, turbiny wiatrowe z napędem bezpośrednim o mocy od kilku do kilkudziesięciu megawatów wymagają większych i cięższych generatorów, w porównaniu do mniejszych i lżejszych turbin z układem przeniesienia napędu z jedno- albo dwustopniową przekładnią. Na korzyść pierwszych przemawia tymczasem wspomniana duża sprawność energetyczna generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi, nawet w warunkach niestabilnej dostępności energii na wejściu wynikającej ze specyfiki źródła, jakim jest energia wiatrowa. Brak przekładni to również mniejszy hałas oraz mniej elementów ruchomych, co z kolei zmniejsza koszty konserwacji i wydłuża żywotność turbiny.

Producenci od lat starają się zwiększyć konkurencyjność turbin wiatrowych z napędem bezpośrednim w porównaniu do tych z przekładniami, z którymi jeszcze do niedawna ze względu na koszt i wagę nie mogły rywalizować. Ostatnio jednak w obu aspektach odnotowano na tyle istotną poprawę, że popularność turbin z napędem bezpośrednim znacząco wzrosła. Za rozwojem turbin z przekładniami przemawia z kolei fakt, że w użytku jest ich obecnie wciąż wiele i nie mogą zostać z dnia na dzień wycofane ani z eksploatacji, ani nie mogą zniknąć z rynku. W ramce przedstawiamy prognozę na temat tego, która z konstrukcji ostatecznie zdominuje rynek.

Przekładnie vs napędy bezpośrednie – co lepsze? Zdaniem wielu ekspertów obie technologie mają na rynku energetyki wiatrowej jak na razie równe szanse i zarówno turbiny z przekładnią, jak i te z napędem bezpośrednim znajdować będą nabywców i dzięki temu będą współistnieć na rynku. W przyszłości jednak, prędzej czy później, w miarę jak te konstrukcje będą się rozwijać, w końcu prawdopodobnie jedna z nich zwycięży. W związku z tym nie brakuje głosów, że technologia napędów bezpośrednich ostatecznie stanie się dominującą. Za tą tezą przemawia kilka argumentów. Przede wszystkim konstrukcja ta ma większy potencjał w zakresie dalszych ulepszeń, tymczasem w zakresie zwiększania wydajności turbin wiatrowych z przekładnią jest bliżej do momentu, w którym postęp będzie mniej zauważalny. Oprócz tego wyższa sprawność energetyczna będzie ich atutem, w miarę jak rosnąć będzie popyt na turbiny wiatrowe o większej mocy znamionowej. Raczej nie można oczekiwać wycofania z rynku turbin wiatrowych z przekładniami z dnia na dzień. Żeby jednak utrzymać się na rynku, ich producenci muszą położyć większy nacisk na trwałość i zmniejszenie strat w komponentach mechanicznych tych konstrukcji, w miarę jak ceny tych z napędem bezpośrednim będą spadać. Możliwe również, że z czasem powstaną konstrukcje hybrydowe, łączące w sobie elementy turbin z przekładniami i bez nich.