Ludzie od dawna zainteresowanie byli eksploatowaniem zasobów jakimi obdarzyła ich Natura. Jednym z tych bogactw była energia niesiona przez wiatr. Siła ta choć potężna rzadko była wykorzystywana ze względu na swą zmienność i nieobliczalność, ludzie traktowali ją raczej jako zło niosące zazwyczaj zniszczenia niż jako potencjalne źródło energii.
Stopniowo jednak sytuacja ta zaczęła się zmieniać. Zbudowano pierwsze młyny i pompownie wody napędzane energią wiatru przechwytywaną przez wiatraki, które w ówczesnych czasach posiadały jeszcze znaczące wady konstrukcyjne lecz pozwalały już zaoszczędzić ogrom pracy zarówno zwierzętom jak i ludziom.
W czasie zimy 1887-88 Charles F. Brush zbudował pierwszą samoczynnie działającą siłownie wiatrową produkującą energię elektryczną. Był on jednym z pionierów amerykańskiego przemysłu elektrotechnicznego. Jego firma Brush Electric, połączyła się w 1892 r. z Edison General Electric Company tworząc General Electric (GE), który dzisiaj jest jednym z największych koncernów na świecie. Jak na owe czasy turbina Brush'a była imponująca: wirnik miał średnicę 17 metrów i składał się ze 144 łopat zrobionych z drzewa cedrowego. Pracowała ona przez 20 lat, ładując akumulatory znajdujące się w piwnicy jego posiadłości. Moc jak na rozmiary urządzenia nie była imponująca - 12 kW, głównie za sprawą wolnoobrotowego, wielołopatowego wirnika. Dopiero kilka lat później Poul la Cour (1846-1908) odkrył, że znacznie wydajniejsze dla generatorów elektrycznych są wirniki o kilku łopatach. Energię elektryczną uzyskaną z siłowni wiatrowych wykorzystywał on do procesu elektrolizy, z którego otrzymywał wodór, który służył mu do oświetlania jego szkoły.
W latach sześćdziesiątych budową elektrowni wiatrowych zajmowali się głównie pasjonaci. Dominowały konstrukcje o mocy do 15 kW, z trójłopatowym wirnikiem. Przemysł zainteresował się elektrowniami wiatrowymi na początku lat osiemdziesiątych. Z inicjatywy duńskich zakładów energetycznych zdecydowano się na opracowanie konstrukcji o mocy 660 kW. Kolejne lata to zmaganie się z problemami technicznymi (konstrukcja generatora, wytrzymałości mechanicznej, dobór odpowiednich materiałów) oraz ekonomicznymi (pierwsze konstrukcje były całkowicie nieekonomiczne). Wreszcie w latach dziewięćdziesiątych pojawiły się urządzenia, które mogły produkować energię na skalę przemysłową po cenach możliwych do zaakceptowania. Moce współczesnych wiatraków sięgają kilku megawatów (największa siłownia: Enercon E-112 4,5 MW, wysokość wieży - 124 metry).
Innym sposobem zwiększenia udziału energii odnawialnej pochodzącej z turbin wiatrowych jest budowa małych elektrowni wiatrowych, które będą produkowały energię na potrzeby pojedynczych gospodarstw domowych, zakładów przemysłowych czy nawet osiedli mieszkaniowych. Sposób ten pozwala uniknąć komplikacji i kosztów związanych z oddawaniem energii z zespołu wiatrowego do sieci energetycznej a tym samym umożliwia zasilanie w energię elektryczną odbiorców gdy siła wiatru jest wystarczająca. Podczas gdy siła wiatru a tym samym ilość produkowanej energii słabnie zainstalowana automatyka umożliwia przełączenie się na zasilanie z sieci elektroenergetycznej. Jeszcze innym sposobem na ujarzmienie energii wiatru w małych elektrowniach jest jej wykorzystanie do celów grzewczych. W tym przypadku spadki czy wzrosty mocy nie mają większego znaczenia gdyż każda jej ilość jest przetwarzana w elementach grzejnych na ciepło i przekazywana do ogrzewanego ośrodka. W takim rozwiązaniu odpowiednia automatyka powinna zapewnić regulację mocy jaka w danej chwili jest odbierana przez obciążenie tak, by nie dopuścić do zatrzymania wiatraka podczas gdy wiatr słabnie i by nie dopuścić do przeciążenia lub uszkodzenia urządzeń podczas silnych wiatrów.
Celem projektu było wykonanie urządzenia do impulsowej regulacji mocy odbieranej przez obciążenie, zbudowanie mikroprocesorowego układu pomiarowego mierzącego ilość oddanej przez zespół wiatrowy energii oraz dokonanie za jego pomocą pomiarów na istniejących już małych elektrowniach i wyznaczenie charakterystyki turbiny wiatrowej a także zbudowanie układu automatycznej regulacji mocy, który w czasie rzeczywistym będzie dopasowywał poziom obciążenia do aktualnie panujących warunków.
SPOSOBY REGULACJI MOCY GENEROWANEJ.
Przenoszenie się zmienności prędkości wiatru na rzeczywistą moc elektrowni wiatrowej określone jest przez krzywą mocy elektrowni w funkcji prędkości wiatru.
Rys. 1 Przykładowe krzywe mocy elektrowni.
Przebieg tych krzywych w małych elektrowniach wiatrowych był by bardzo zmienny i mógłby przypominać szlaczek rysowany przez dziecko w przedszkolu gdyby nie stosowano systemów automatycznej regulacji mocy i utrzymywania obrotów turbiny na odpowiednim poziomie dla danej prędkości wiatru. Krzywa mocy ma swoje punkty charakterystyczne, są nimi:
¤ Punkt startu - jest to prędkość wiatru począwszy od której śmigła zaczynają się obracać i na wale turbiny pojawia się moment mechaniczny. W zależności od konstrukcji turbiny punkt startu ma wartość od 1 m/s do 5 m/s,
¤ Punkt wyłączenia - jest to prędkość, przy której następuje zatrzymanie turbiny ze względu na zagrożenie mechaniczne konstrukcji. Punkt wyłączenia ma wartość z przedziału 23 do 27 m/s,
¤ Punkt prędkości znamionowej - jest to prędkość wiatru, przy której turbina osiąga swoją moc znamionową. Zazwyczaj jest to prędkość od 11 do 16 m/s.
Duże elektrownie wiatrowe mają kilka sposobów regulacji mocy generowanej jednak są one zazwyczaj skomplikowane i drogie. W małych elektrowniach wiatrowych liczą się proste, niezawodne i tanie konstrukcje. Dla tego typu elektrowni najczęściej stosowaną metodą jest zmiana obciążenia. Metoda ta polega na zmianie rezystancji stanowiącej obciążenie generatora. W ten sposób "przenosi się" punkt pracy siłowni z jednej charakterystyki mechanicznej na inną, bardziej korzystną dla aktualnie panujących warunków (prędkości i kierunku wiatru). Zmiana rezystancji musi odbywać się łagodnie, zbyt gwałtowny wzrost momentu obciążenia mógłby spowodować uszkodzenie turbiny, wału, łożysk itp.
Rzeczywista regulacja rezystancji obciążenia była by bardzo kłopotliwa i uniemożliwiała zastosowanie takiego obciążenia, na którym rozprasza się ciepło np. do ogrzewania wody. W roli takiego regulatora najlepiej sprawdza się tzw. chopper prądowy. Jest to przerywacz prądu sterowany sygnałem prostokątnym o zmiennym wypełnieniu tzw. PWM (pulse width modulation). o regulacji mocy modulacją szerokości impulsu można w moim Portalu przeczytać co najmniej w kilku miejscach, więc nie będę się to powtarzał.
Synchroniczne generatory małych elektrowni wiatrowych o mocach powyżej 1 KW posiadają uzwojenia trójfazowe więc by móc w prosty sposób obciążać je grzałką ogrzewającą wodę użyteczną i regulować ilość odbieranej mocy należy wygenerowane trójfazowe napięcie należy wyprostować do postaci stałej.
Rys. 2 Schemat ideowy przerywacza sterującego mocą elektrowni.
