Nowatorska, modułowa konstrukcja turbin wiatrowych: sposób na zwiększenie wydajności energetyki wiatrowej
W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu HYPER TOWER, realizowanego przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie” inżynierowie zaproponowali innowacyjną konstrukcję samoczynnie powstających wież turbin wiatrowych, montowanych na kratownicach. Zamiast tradycyjnych wież rurowych wykonanych ze stali, nowa konstrukcja wykorzystuje kratownice, które mogą być łatwo ładowane na zwykłe ciężarówki i zmontowane w miejscu docelowym przy pomocy niewielkich dźwigów. Zastosowanie niewielkich dźwigów wiąże się z szeregiem korzyści w porównaniu z wykorzystaniem ich większych odpowiedników. Przede wszystkim są tańsze i łatwiej dostępne, a dodatkowo pozwalają na wykorzystanie większych żurawi wyłącznie do instalacji gondoli i łopat wirnika. Poza ułatwieniem transportu, modułowa konstrukcja wież turbin przyczynia się także do obniżenia kosztów dzięki zmniejszeniu ilości stali wykorzystywanej do budowy. Modułowość oznacza także możliwość budowy wieży o dowolnej szerokości i wysokości.
Większa znaczy bardziej ekologiczna
Jednym z najważniejszych trendów związanych z ekologią i bardziej zrównoważonym stylem życia jest miniaturyzacja – mniejsze mieszkania, mniejsze samochody i zmniejszanie swojego śladu węglowego. W przypadku turbin wiatrowych matematyka jest jednak nieubłagana – im wyższa jest dana turbina, tym bardziej ekologiczna jest wytwarzana przez nią energia. Biorąc pod uwagę tę kwestię, naukowcy postanowili skupić się na dwutorowym podejściu, które ma docelowo umożliwić wytwarzanie większej ilości energii elektrycznej z wiatru. W pierwszej kolejności opiera się ono na zwiększaniu powierzchni łopat wirnika, które pokrywają dzięki temu większą powierzchnię i zwiększają potencjał wytwarzania energii. W drugiej zaś polega na zwiększaniu wysokości turbin wiatrowych. Umieszczanie łopat wirnika w wyższych partiach atmosfery, gdzie występują bardziej stabilne wiatry, umożliwia zwiększanie wydajności turbiny. „Nasz projekt przyczynia się do zwiększenia sprawności i wydajności turbin wiatrowych. Inżynierowie coraz częściej muszą stawiać czoła wyzwaniu polegającemu na budowie wyższych konstrukcji przy jednoczesnym ograniczaniu kosztów przez zmniejszanie zużycia materiału. Jednocześnie odczuwają presję, by zredukować zużycie energii w czasie procesów produkcji i montażu”, wyjaśnia Nafsika Stavridou, stypendystka działania „Maria Skłodowska-Curie”, która prowadziła badania. Co więcej, budowa wysokich i smukłych konstrukcji wymaga prowadzenia długotrwałych i żmudnych badań złożonych zjawisk dynamicznych, które mogą doprowadzić do ich zawalenia się w przypadku wystąpienia ekstremalnych zjawisk pogodowych.
Przełomowy projekt kształtu turbiny wiatrowej
Główną innowacją, którą wprowadza projekt HYPER TOWER, jest zastąpienie tradycyjnej stalowej wieży rurowej konstrukcją kratową. „Stalowa wieża rurowa jest oczywiście niezwykle wytrzymała i stabilna, jednak jej budowa pochłania znacznie więcej stali niż konstrukcje kratowe”, wyjaśnia Stavridou. W ramach projektu naukowcy przebadali łącznie 182 wieże kratowe o kwadratowych i sześciokątnych kształtach i udowodnili, że mogą one wytrzymywać duże obciążenia pomimo znacznie mniejszej ilości materiału użytego do ich wytworzenia. Co więcej, w porównaniu z konstrukcją rurową o tej samej wysokości, łączna masa 76-metrowej wieży jest o 22,5 % mniejsza w przypadku modelu sześciokątnej wieży o konstrukcji kratowej, a także 40 % mniej w przypadku modelu kwadratowej wieży kratowej. „Oczywistą korzyścią jest w tym przypadku zmniejszenie o 40 % ilości materiałów użytych do budowy wieży, a także fakt zmniejszenia o 50 % ilości materiałów wykorzystywanych do budowy fundamentów”, dodaje Stavridou. Zarówno modele numeryczne, jak i badania doświadczalne wykonane w ramach projektu HYPER TOWER pomagają w rozwiązaniu szeregu problemów dotyczących współczesnych konstrukcji wież turbin wiatrowych. Prace zrealizowane przez naukowców torują drogę do budowy wyższych i szerszych wież dzięki wykorzystaniu modułowej konstrukcji kratowej, pozwalającej na zwiększanie sprawności i wytrzymałości, a także na maksymalną redukcję kosztów wież turbin wiatrowych.
Słowa kluczowe
HYPER TOWER, turbina wiatrowa, wieża kratowa, kratownica, stalowa wieża rurowa, konstrukcja turbiny
