Podstawowe i najważniejsze elementy budowy elektrowni wiatrowej to turbina, wieża i solidny fundament. Budowa przedstawiona zostanie na przykładzie standardowych turbin typu HAWT z wirnikiem trójpłatowym.
Turbinę wiatrową stanowi szereg dużych komponentów i bloków. Razem tworzą one system turbiny wiatrowej. Od zewnątrz taka turbina to trzy elementy: wirnik, łopaty i gondola. Wirnik, poruszany mocą łopat przekształca energię kinetyczną wiatru w energie mechaniczną. W turbinach o pionowej osi obrotu (HAWT) ustawiony jest on zgodnie z wiatrem. Pozwala na to samoistne ustawianie się wirnika korzystnie do kierunku wiatru. Jak już wspominaliśmy, przy klasycznych turbinach wiatrowych pionowych wirnik wyposażony jest w trzy łopaty. Zwykle wykonywane są z włókna szklanego i węglowego, w oparciu o profile lotnicze, ostatnio dla wzmocnienia stosuje się poliester oraz żywice. Przy budowie wirników elektrowni wiatrowych wykorzystuje się m.in.: drewno, laminowane kompozyty łącznie z drewnem, włókna syntetyczne, kompozyty oparte na podłożu poliestru lub epoksydowe wzmacniane włóknem szklanym. Ponadto stosowane są wszelakie stopy stali lub aluminium.
Dużym komponentem, połączonym bezpośrednio (poprzez wał główny) z wirnikiem jest gondola. W niej znajdują się wszystkie niezbędne elementy prowadzące do zamiany energii mechanicznej na elektryczną. Należą do nich: generator, przekładnia, system sterowania, układy smarowania i chłodzenia oraz układ hamulcowy i kierowania. Wejście do gondoli przez obsługę możliwe jest za pomocą drabiny lub windy zamontowanych wewnątrz wieży.
Wał główny odpowiedzialny jest za przeniesienie pierwotnego momentu obrotowego z wirnika na przekładnię zębatą, która służy do uzyskania odpowiedniej częstotliwości prądu elektrycznego. Sieć przesyłową charakteryzuje częstotliwość między 50 a 60 Hz, dlatego prąd dostarczany z elektrowni wiatrowej musi posiadać częstotliwość w tym samym zakresie. W tym celu stosuje się połączenie generatora z przekładnią wielobiegunową. Liczba obrotów wirnika wynosi od 20 do 30 na minutę, a dzięki przekładni wzrasta do 1500. Następnie wał szybkoobrotowy, umieszczony na poprzecznych łożyskach, może przekazać energię do generatora.
Generator to urządzenie, które wytwarza prąd – zamienia energię mechaniczną wału wejściowego na energię elektryczną. W zależności od rodzaju turbiny stosuje się generatory synchroniczne i asynchroniczne. Muszą one być dostosowane do zespołu wirnika, przekładni i parametrów sieci przesyłowej. Małe turbiny wiatrowe wyposażone są w generatory produkujące prąd stały do ładowania akumulatorów.
Zadaniem zespołu kierunkowego jest nakierowanie wirnika odpowiednio do kierunku aktualnie wiejącego wiatru. Wirnik ustawiony prostopadle do kierunku wiatru gwarantuje uzyskanie największej energii kinetycznej wiatru. Małe elektrownie wykorzystują ster, dzięki któremu ustawiają się odpowiednio do wiatru, natomiast turbiny o dużej mocy wyposażone są w bardziej rozbudowany system aktywnej regulacji kierunku. Zmiana kierunku wiatru powoduje włączenie silnika sterującego regulacją kierunku. W wyniku tego cała gondola obraca się w odpowiednim kierunku.
Zespół hamulcowy stosowany jest głównie jako rodzaj zabezpieczenia podczas silnych wiatrów. Montuje się różne rodzaje hamulców, z których najczęstszym jest hamulec tarczowy. Można zamontować go przed przekładnią zębata na głównym wale lub zaraz za przekładnią na wale szybkobieżnym. W tym drugim przypadku konieczne jest zastosowanie specjalnego układu hamulcowego, odpowiadającego za dostarczenie właściwego momentu obrotowego w celu zwolnienia wirnika.
Gondola wraz z wirnikiem umieszczona jest na wieży. Jej konstrukcja może być betonowa, rurowa lub kratownicowa. Najczęściej stosowanymi rozwiązaniami są te wykonane z rur ze stali nierdzewnej. Wieża to ważny element odpowiadający za umieszczenie wirnika na odpowiedniej wysokości nad poziomem gruntu. Jak wiadomo, im wyżej usytuujemy turbinę, tym lepsze efekty osiągniemy (często wysokość wieży równa jest średnicy wirnika). Ponadto wieża musi znosić obciążenia grawitacyjne, obrotowe, bicia i napory wiatru. Aby zapewnić bezawaryjną pracę, konstrukcja powinna być wytrzymała nie tylko na warunki technicznej eksploatacji turbiny, ale także na warunki środowiska, tj. szron, oblodzenia, ośnieżenia, deszcze oraz wyładowania atmosferyczne. Aby ułatwić montaż, wieże składają się z mniejszych elementów, które łatwiej można transportować, a następnie składać w całość. Wieże rurowe maja kształt stożkowy o średnicy wzrastającej ku podstawie. Pozwala to osiągnąć lepsze parametry wytrzymałościowe oraz oszczędność materiału. Tańszym rozwiązaniem są wieże kratownicowe. Wykonuje się je ze spawanych profil stalowych i wymagają mniejszego fundamentu oraz mniejszej ilości materiału. Wiele osób narzeka, że ich widok szpeci krajobraz.
Karolina Chmura
Piotr Wójcik
