Turbina wiatrowa jest urządzenie przekształca energię kinetyczną z wiatru w energię mechaniczną , znany jako energii wiatrowej , która jest następnie najczęściej przekształcona w energię elektryczną . Turbiny wiatrowe wytwarzające energię elektryczną nazywane są turbinami wiatrowymi , podczas gdy turbiny wiatrowe, które bezpośrednio pompują wodę, są czasami nazywane turbinami pompującymi lub pompami wiatrowymi . Starożytną formą turbiny wiatrowej jest wiatrak .
Terminy „farma wiatrowa ”, „ farma wiatrowa ” lub „farma wiatrowa” są używane do opisania zgrupowanych jednostek produkcyjnych, zainstalowanych na lądzie lub na morzu .
Kraje na świecie posiadające najwięcej farm wiatrowych to Chiny , Stany Zjednoczone , Niemcy , Hiszpania , Indie , Wielka Brytania oraz, jako odsetek ludności, Dania (patrz Produkcja energii wiatrowej ).
W 1885 roku Ernest-Sylvain Bollée , wynalazca turbiny wiatrowej Bollée , po raz pierwszy użył słowa „wiatrak” jako rzeczownika pospolitego z przymiotnika rzeczownika ( energia wiatru ). Słowo to znalazło swoje miejsce w Larousse w 1907 roku.
Przodek wiatr jest wiatrak , ukazał się w Persji w roku 620 i postępować zgodnie z pompę wiatrową , pojawiły się w IX th wieku w obecnym Afganistanie . Obecnie są one nadal używane w połączeniu z pompą wody , zwykle do drenażu i wysycha podmokłych lub w inny sposób nawadniać te obszary suche lub zezwolić pojenia zwierząt .
W 1888 roku Charles Francis Brush zbudował dużą turbinę wiatrową, aby zaopatrywać swój dom w energię elektryczną, magazynowaną przez akumulator .
Pierwsza „przemysłowa” turbina wiatrowa do wytwarzania energii elektrycznej została opracowana przez Duńczyka Poul La Cour w 1890 r. W celu wytwarzania wodoru metodą elektrolizy . W następnych latach stworzył turbinę wiatrową „Lykkegard”, którą sprzedał w siedemdziesięciu dwóch egzemplarzach w 1908 roku.
W 1923 roku brytyjski genetyk John Burdon Sanderson Haldane napisał:
„Gdyby turbina wiatrowa w ogrodzie mogłaby produkować 50 kg węgla dziennie (lub może wytwarzać ekwiwalent energii), nasze kopalnie węgla zostałyby jutro zamknięte. Osobiście uważam, że za 400 lat możemy rozwiązać problem energetyczny w Anglii w następujący sposób: kraj będzie pokryty rzędami metalowych turbin wiatrowych, napędzających silniki elektryczne, które same będą dostarczały prąd o bardzo wysokim napięciu do duża sieć elektryczna. Duże, dobrze rozmieszczone rośliny będą wykorzystywać nadwyżkę energii z okresów wietrznych do elektrolitycznego rozkładu wody na tlen i wodór. Gazy te będą skraplane i przechowywane w dużych dwuściennych zbiornikach próżniowych, prawdopodobnie pod ziemią. (…) Przy bezwietrznej pogodzie gazy byłyby rekombinowane w silnikach spalinowych podłączonych do dynama w celu odzyskania energii elektrycznej lub, co bardziej prawdopodobne, w ogniwach paliwowych. "
Eksperymentalna turbina wiatrowa o mocy 800 kVA działała od 1955 do 1963 roku we Francji, w Nogent-le-Roi w regionie Beauce . Został zaprojektowany przez Biuro Badań Naukowo-Technicznych Lucien Romani i obsługiwany w imieniu EDF . Jednocześnie dwie turbiny wiatrowe Neyrpic o mocy 130 i 1000 kW zostały przetestowane przez EDF w Saint-Rémy-des-Landes ( Manche ). W 1957 r. Do sektora na wzgórzach Algieru (Dély-Ibrahim) podłączona była również turbina wiatrowa .
Technologia ta został nieco zaniedbany potem dopiero 1970 roku i pierwszego szoku naftowego że Dania przejęła instalacje turbin wiatrowych.
Najczęściej spotykana turbina wiatrowa o osi poziomej składa się z następujących elementów:
Matt Pozwala to na umieszczenie wirnika na wystarczającej wysokości, aby umożliwić jego ruch (konieczne w przypadku turbin wiatrowych z osią poziomą) lub na wysokości, na której wiatr wieje silniej i bardziej regularnie niż na poziomie gruntu. Maszt zawiera zazwyczaj część elementów elektrycznych i elektronicznych (modulator, sterowanie, powielacz, generator itp .). Maszty są zwykle wykonane ze stali, ale niektórzy producenci coraz częściej stosują maszty betonowe (na przykład we Francji, w przypadku około 1000 turbin wiatrowych montowanych od 2004 do początku 2013 roku przez Enercon , 300 ma maszt betonowy). nacelle Jest zamontowany na szczycie masztu i zawiera elementy mechaniczne i pneumatyczne, niektóre elementy elektryczne i elektroniczne niezbędne do działania maszyny. Platforma może się obracać, aby skierować maszynę we właściwym kierunku. rotor Składa się z nosa turbiny wiatrowej , w którym osadzone są łopatki (zazwyczaj trzy), zamocowane na obracającym się wale w łożyskach zamontowanych w gondoli. Wirnik, zintegrowany z łopatami, napędzany jest energią wiatru. Jest on połączony bezpośrednio lub pośrednio (poprzez nastawione prędkości mnożnik) do układu mechanicznego, które wykorzystuje energię zebrane (pompy, generatora elektrycznego , etc. ).Dopełnieniem instalacji są dodatkowe elementy, takie jak stacja podająca energię elektryczną wytworzoną do sieci elektrycznej .
Taka turbina wiatrowa jest modelowana głównie na podstawie jej właściwości aerodynamicznych , mechanicznych i elektrotechnicznych . W praktyce rozróżnia się także „duże turbiny wiatrowe”, które dotyczą maszyn powyżej 350 kW , turbiny wiatrowe średniej mocy (od 36 do 350 kW ) i małe turbiny wiatrowe (poniżej 36 kW ).
Turbina wiatrowa o osi poziomej to śmigło prostopadłe do wiatru, zamontowane na maszcie. Wysokość wynosi zwykle 20 m dla małych turbin wiatrowych i ponad dwukrotnie więcej niż długość łopaty w przypadku dużych modeli.
W 2017 roku największa turbina wiatrowa miała 187 m wysokości przy mocy 9,5 MW . W 2019 roku prototyp Haliade X zainstalowany w Rotterdamie o mocy 12 MW osiągnął wysokość 260 m .
Teoretycznie możliwa do odzyskania mocSiła wiatru zawarta w cylindrze sekcji to:
z:
: Prędkość płynu na poziomie turbiny wiatrowej : Gęstość od powietrza (suchego powietrza atmosferycznego, około 1,23 kg / m 3 w 15 ° C i pod ciśnieniem atmosferycznym 1,0132 bar) : prędkość wiatru wm / sTurbina wiatrowa może odzyskać tylko część tej mocy, ponieważ przepływ nie może mieć zerowej prędkości po przejściu przez turbinę (w przeciwnym razie oznaczałoby to „zatrzymanie wiatru” ).
Formuła BetzaOdzyskana energia jest mniejsza niż energia kinetyczna powietrza znajdującego się przed turbiną wiatrową, ponieważ powietrze musi zachować resztkową energię kinetyczną, aby przepływ pozostał. Albert Betz wykazały, że maksymalna moc odzyskiwalna jest równa 16 / 27 o mocy padającej.
Teoretyczna maksymalna moc turbiny wiatrowej jest zatem ustalona na:
jest :
Lub:
Ta maksymalna moc jest następnie przypisywana współczynnikiem wydajności właściwym dla typu i modelu turbiny wiatrowej oraz dla miejsca instalacji. Współczynnik ten zwykle wynosi od 0,20 do 0,70.
W celu obliczenia mocy turbiny wiatrowej z uwzględnieniem energii kinetycznej i potencjalnej patrz: obliczanie mocy turbiny wiatrowej lub pływowej .
Wytwarzanie energii elektrycznejZe względu na przerywany wiatr i wahania jego mocy ważne jest, aby rozróżnić dwie koncepcje:
Moc nominalna Jedną z ważnych cech turbin wiatrowych jest ich nominalna moc elektryczna. Tak więc w odniesieniu do turbiny wiatrowej 2 MWp (MW-szczyt) oznacza, że nie jest w stanie zapewnić maksymalną moc elektryczną 2 x 10 6 W). Minimalna prędkość wiatru do osiągnięcia tej mocy maksymalnej jest rzędu 15 m / s lub około 55 km / h : poniżej tej prędkości turbina wiatrowa wytwarza mniej energii, ale powyżej produkcja nie jest większa i gdy prędkość wiatru osiągnie próg bezpieczeństwa (często około 25 do 35 m / s - 90 do 126 km / h ), turbina wiatrowa jest ograniczana lub nawet wyłączana. Faktyczna produkcja energii elektrycznej jest zatem funkcją rozkładu statystycznego prędkości wiatru na tym terenie. Współczynnik obciążenia Stosunek między energią elektryczną wytworzoną w danym okresie a energią, którą turbina wiatrowa wyprodukowałaby, gdyby pracowała ze swoją mocą nominalną w tym samym okresie. Wskaźnik ten jest często obliczany na przestrzeni roku i wyrażany jako wartość procentowa (%), co ma miejsce w pozostałej części tej sekcji. Średnio w całej Europie ten współczynnik obciążenia wahał się od 17,7 do 21,0% w latach 2003-2008, podczas gdy we Francji w latach 2009-2010 wynosił 22%.W 2009 roku energia wiatrowa stanowiła 1,3% światowej produkcji energii elektrycznej:
We Francji Produkcja energii elektrycznej z wiatru stanowiła 1,5% całkowitej produkcji energii elektrycznej w 2009 r. i 1,7% w 2010 r. W Danii przy flocie 3 482 MW w 2009 r. i produkcji 24 194 TJ , generacja wiatru stanowiła 18,5% produkcji energii elektrycznej (tj. 2,99% całkowitego zużycia energii).Turbiny wiatrowe i linie energetyczne w pobliżu Rye w Anglii.
Zachód słońca nad farmą wiatrową Guazhou w Chinach, która obejmuje ponad 200 turbin wiatrowych.
Farma wiatrowa Estinnes , Belgia, 11 turbin wiatrowych, widziana dalej10 października 2010.
Ze względów bezpieczeństwa konieczne jest unieruchomienie ostrzy przy zbyt silnym wietrze. Rzeczywiście, łopaty wyginają się pod wpływem wiatru i przy zbyt silnym wietrze uderzają w maszt. Bezwładność turbiny jest z grubsza proporcjonalna do sześcianu długości łopatek, podczas gdy powierzchnia odporna na wiatr jest proporcjonalna do kwadratu o tej długości. Dlatego też ciśnienie wywierane na turbinę wiatrową rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem jej wielkości. Zatem maksymalna długość ostrza jest ograniczona wytrzymałością jego materiałów.
Duże ostrza są wykonane z materiałów kompozytowych na bazie włókna szklanego lub węgla i żywicy epoksydowej lub poliestrowej ; można użyć innych materiałów. Mniejsze turbiny wiatrowe mogą być zbudowane z tańszych materiałów, takich jak włókno szklane, aluminium lub drewno laminowane.
Węzeł bezłopatkowej turbiny wiatrowej (Enercon E-70) na wyspie El Hierro ( Wyspy Kanaryjskie ).
Blady na przyczepie.
Segmenty masztu na przyczepach i podstawa lemiesza.
Ostrza zapasowe o długości około 15 m.
Małe turbiny wiatrowe są skierowane w kierunku wiatru przez tylną płetwę, jak wiatrowskaz . Duże turbiny wiatrowe mają czujniki, które wykrywają kierunek wiatru i uruchamiają silnik, który obraca wirnik.
Każde wirujące ostrze zachowuje się jak żyroskop i ze względu na wywieraną na nie siłę grawitacji poddawane jest działaniu siły precesji, która, będąc prostopadła zarówno do osi obrotu, jak i do siły grawitacji, jest pozioma. Ta siła precesji jest zatem równoległa do łopatki, gdy ta jest pozioma, i jest do niej prostopadła, gdy łopatka jest pionowa. Ostatecznie te cykliczne zmiany siły działającej na łopatki mogą się zmęczyć i spowodować pęknięcie podstawy łopatek i / lub wału turbiny .
Kiedy potężna turbina wiatrowa ma więcej niż jedną łopatę, są one zakłócane przez powietrze wypierane przez poprzednią łopatę. Wydajność jest zmniejszona.
Drgania zmniejszają się wraz ze wzrostem liczby ostrzy. Oprócz zmęczenia mechanizmów, niektóre drgania są słyszalne i powodują zanieczyszczenie hałasem. Jednak turbiny wiatrowe z mniejszą liczbą większych łopat działają przy wyższej liczbie Reynoldsa , a zatem są bardziej wydajne. Ponieważ cena turbiny wiatrowej rośnie wraz z liczbą łopatek, optymalna liczba dla układu z osią poziomą wynosi zatem trzy, ponieważ przy dwóch łopatkach problemy z niewyważeniem byłyby większe. Rzeczywiście, liczba łopatek musi być nieparzysta, aby wyważenie było optymalne.
Wirniki z parzystą liczbą łopatek niekoniecznie wymagają indywidualnego mocowania każdej łopatki do piasty. Ponadto wiele komercyjnych turbin wiatrowych ma dwie łopaty, ponieważ łatwiej i bardziej ekonomicznie jest wyprodukować je w jednym kawałku. Turbiny wiatrowe z trzema łopatkami, które są cichsze, zwykle muszą być montowane na miejscu.
Większość domowych turbin wiatrowych ma dwa łopaty, ponieważ są one wykonane z jednego długiego kawałka drewna lub metalu, zamontowanego na generatorze ratunkowym, takim jak alternator samochodowy lub silnik pralki.
Ponieważ maszt wytwarza za sobą turbulencje , wirnik jest zwykle umieszczany przed masztem. W tym przypadku wirnik jest umieszczony wystarczająco daleko do przodu, a jego oś jest czasami nachylona względem poziomu, aby zapobiec uderzaniu łopat w maszt. Turbiny wiatrowe są czasami budowane z wirnikiem umieszczonym za masztem, pomimo problemów z turbulencjami, ponieważ łopaty mogą być w ten sposób bardziej elastyczne i wyginać się bez ryzyka uderzenia w maszt przy silnym wietrze, zmniejszając w ten sposób ich odporność na wiatr. ”.
Stare wiatraki są wyposażone w żagle zamiast łopat, ale mają one bardzo ograniczoną żywotność. Ponadto ich opór powietrza jest stosunkowo wysoki w porównaniu z otrzymywaną mocą. Sprawiają, że generator działa zbyt wolno i marnuje energię potencjalną wiatru, którego siła ciągu wymaga zamontowania go na szczególnie mocnym maszcie. Dlatego preferujemy je dzisiaj sztywne, profilowane ostrza.
Kiedy łopata się obraca, względna prędkość wiatru w stosunku do łopaty jest większa niż jego własna prędkość i zależy od odległości rozważanego punktu łopaty od jej osi obrotu. To wyjaśnia, dlaczego profil i orientacja ostrza różnią się długością. Skład sił wywieranych na łopatki jest sumowany w użytecznym momencie obrotowym umożliwiającym wytwarzanie energii elektrycznej przez alternator oraz w osiowej sile ciągu odbijanej na maszcie za pomocą zderzaka. Ciąg ten może stać się nadmierny, gdy wiatr jest zbyt silny; z tego powodu turbiny wiatrowe są następnie zatrzymywane i ustawiane tak, aby zapewnić jak najmniejszy chwyt wiatru.
Przeprowadzono testy (2004), aby zastosować cylindryczne ostrza i skorzystać z efektu Magnusa .
Oprócz konwencjonalnych turbin wiatrowych z osią poziomą równoległą do kierunku wiatru, tak zwane turbiny wiatrowe o osi pionowej mają oś prostopadłą do kierunku wiatru. Oś jest często umieszczana pionowo, ale turbiny wiatrowe tego typu można również ustawiać poziomo. Ten typ turbiny wiatrowej jest dostępny według kilku zasad.
Typ DarrieusaTurbina wiatrowa typu Darrieus opiera się na działaniu siły nośnej , na którą przechodzi profil poddany działaniu względnego wiatru , takiego jak efekt wywierany na skrzydło samolotu . Istnieje kilka odmian tej zasady, od prostego cylindrycznego wirnika - dwóch profili rozmieszczonych po obu stronach osi - do wirnika parabolicznego, w którym profile są zakrzywione w troposkin i przymocowane do góry i podstawy osi pionowej. Turbina wiatrowa tego typu pracowała w Quebecu (w Parc Éole ) od 1983 do 1992 roku. Duży rozmiar (110 m wysokości) prototyp uległ zniszczeniu podczas podmuchu. Zaprojektowano go, aby zapewnić 4 MW z generatorem na ziemi.
Typ SavoniusTyp Savonius , składający się schematycznie z dwóch lub więcej lekko przesuniętych półcylindrycznych wiader, ma wiele zalet. Oprócz niewielkich rozmiarów, które pozwalają na integrację turbiny wiatrowej z budynkami bez zniekształcania jej estetyki, nie jest bardzo hałaśliwa. Rozpoczyna się przy małych prędkościach wiatru i wykazuje wysoki moment obrotowy, chociaż zmienia się sinusoidalnie podczas obrotu. Istnieje wariant, zwany helikalnym Savoniusem (lub po angielsku skręcony Savonius), który zwiększa wydajność poprzez ciągłe oferowanie powierzchniowej przyczepności do wiatru. Zamiast pionowych półcylindrów są one spiralnie skręcone wokół osi obrotu. Ze względu na niewielką powierzchnię, dobre osiągi i potrzebę bardzo słabego wiatru, są używane w mieście na dachach domów, na łodziach, takich jak Hornblower Hybrid lub w Tower of the Pearl River , wieży pozytywnej energii. . Nadają się również do pozycji poziomej, gdzie oś obrotu pozostaje prostopadła do wiatru, a nie w profilu wiatru, jak konwencjonalne turbiny wiatrowe z osią poziomą.
Niektórzy producenci zaprojektowali również turbiny wiatrowe wykorzystujące zarówno technologię Darrieus, jak i technologię Savonius, starając się połączyć zalety tych dwóch technologii.
Odmianą tego typu turbiny wiatrowej jest Moulinet, którego dobrym ilustracją jest anemometr. Zacytujmy również modele z ekranem, w którym ukrywa się „przeciwproduktywną” stronę maszyny. W modelu tym zastosowano system orientacji ekranu względem wiatru, w rzeczywistości eliminując istotną zaletę turbin wiatrowych o osi pionowej. Wreszcie, znaczny wzrost masy w funkcji wielkości sprawia, że turbina wiatrowa typu Savonius nie nadaje się do produkcji na dużą skalę w farmie wiatrowej.
Typ skrzydeł obrotowychTyp skrzydła obrotowego (lub panemone) charakteryzuje się dynamiczną optymalizacją ustawienia łopatek w czasie rzeczywistym. Zachowują się tak samo, jak żagiel żaglówki, który krążyłby po wodzie z określonym wiatrem. W ten sposób łopaty wiernie odtwarzają wszystkie chody żaglówki podążające za ich stycznym kursem (kątem) względem kierunku wiatru. W rezultacie nacisk styczny na ramiona wirnika podtrzymującego łopaty jest zawsze zoptymalizowany. Ta forma wykorzystywania energii wiatru jest bardzo stara (Iran, Kreta itp.). Ten proces, który otrzymał srebrny medal na Międzynarodowej Wystawie Wynalazków w Genewie w 2006 roku, dał początek kilku eksperymentom.
Inne modele są budowane przez różne firmy, aby przezwyciężyć ograniczenia wynikające z rozmiaru łopatek, ich prędkości obrotowej i hałasu. Zasada jest taka, jak wirnik z osią pionową, który obraca się w środku żebrowanego stojana. Tego typu rozwiązanie znacznie ogranicza hałas, umożliwiając jednocześnie pracę przy wiatrach powyżej 220 km / h niezależnie od ich kierunku. Ogólny ślad jest mniejszy zarówno pod względem powierzchni, jak i wysokości. Dla turbiny wiatrowej o średnicy 3 mi wysokości 2 m zapowiedziano produkcję 8 000 kWh / rok (2007) . To urządzenie jest instalowane tylko na małych turbinach wiatrowych; modyfikuje siły powietrza działające na łopatki. Działa w celu wysunięcia wirnika z łoża wiatru, aby zmniejszyć jego wpływ na łopaty.
Nie jest to już kwestia spowolnienia systemu, ale całkowitego wyłączenia turbiny wiatrowej.
Mechanizm ten jest uruchamiany automatycznie, gdy prędkość osiągnie określony próg za pomocą czujnika prędkości. Jeśli wiatr zwolni, hamulec zostaje zwolniony, a turbina wiatrowa znów pracuje swobodnie. To urządzenie można również uruchomić w przypadku wykrycia problemu z siecią elektryczną.
Turbiny wiatrowe o stałym skoku z regulacją przeciągnięcia często mają dwa hamulce tarczowe dla bezpieczeństwa.
Modele turbin wiatrowych klasy III, specjalnie przystosowane do miejsc korzystających ze średnich prędkości wiatru w ciągu jednego roku do 7,5 metra na sekundę, przeszły znaczący postęp technologiczny i mają wyższą sprawność rzędu 10 do 25% w porównaniu z poprzednią generacją. Mają na ogół większą wysokość i znacznie dłuższe ostrza, co pozwala im zmniejszyć stosunek mocy elektrycznej do powierzchni omiatanej przez ostrza, a tym samym znacznie zwiększyć żywotność maszyn ( współczynnik obciążenia ). Ich produkcja jest również bardziej regularna, co ogranicza trudności w zarządzaniu szczytami mocy przez sieci elektroenergetyczne. Wreszcie można je instalować jak najbliżej obszarów konsumpcji, co pozwala ograniczyć inwestycje w sieć dystrybucyjną. Miejsca mniej wietrzne są również znacznie bardziej rozpowszechnione i często łatwiej dostępne niż obiekty klasy I (silnie wietrzne) lub II (umiarkowanie wietrzne), co otwiera nowe perspektywy na rynkach międzynarodowych. Wprowadzenie wielu modeli na 2017 rok zapowiadają Nordex, Gamesa, Enercon, Vestas i GE Wind.
Kryteria wyboru elektrowni wiatrowej zależą od wielkości, mocy i liczby jednostek. Wymagają obecności regularnego wiatru (por. Atlas wiatru) i różnych warunków, takich jak: bliskość sieci elektrycznej do podłączenia turbin wiatrowych, brak stref wyłączonych (w tym obwód zabytków, sklasyfikowane miejsca, strefy z zjawiskiem echa w góry, krajobrazy), a najlepiej strefa zwana przez propagatorów energetyki wiatrowej „bezkonfliktowa” (niska gęstość zaludnienia i niewielki opór).
Sprawność turbiny wiatrowej zależy w szczególności od jej lokalizacji. Rzeczywiście, moc dostarczana wzrosty z sześcianu prędkości z wiatrem , dlatego tereny są po raz pierwszy wybrany w zależności od prędkości i częstotliwości wiatrów obecnej. Miejsce z wiatrem o średniej prędkości 30 km / h będzie osiem razy bardziej produktywne niż inne miejsce z wiatrem średnio 15 km / h . Turbina wiatrowa działa lepiej, im częściej wiatry są regularne i częste.
Innym ważnym kryterium wyboru miejsca jest stałość prędkości i kierunku wiatru, czyli turbulencja wiatru. W rzeczywistości generalnie turbiny wiatrowe mogą być używane, gdy prędkość wiatru jest większa niż wartość między 10 a 20 km / h , nie osiągając jednak nadmiernych wartości (większych niż 90 km / h ), które zniszczenie turbiny wiatrowej lub konieczność jej „odłączenia” (opierzone łopatki) w celu ograniczenia zużycia. Dlatego prędkość wiatru musi znajdować się między tymi dwiema wartościami tak często, jak to możliwe, aby zapewnić optymalną pracę turbiny wiatrowej. Podobnie oś obrotu turbiny wiatrowej musi przez większość czasu pozostawać równoległa do kierunku wiatru. Dlatego nawet przy wydajnym systemie orientacji gondoli zaleca się mieć możliwie najbardziej stabilny kierunek wiatru, aby uzyskać optymalną wydajność ( na przykład pasaty ).
Dlatego należy unikać niektórych miejsc w pobliżu dużych przeszkód, ponieważ wiatr jest tam zbyt burzliwy (drzewa, budynki, złożone skarpy górskie, obszary, w których występuje zjawisko echa, itp.).
Z empirycznego punktu widzenia znajdujemy odpowiednie miejsca do zainstalowania turbin wiatrowych, obserwując drzewa i roślinność . Miejsca są interesujące, jeśli są stale wyginane przez wiatry, krzywizna drzew w tym samym kierunku, co wskazuje na regularność wiatrów.Siedliska przemysłowe wykorzystują mapy prędkości wiatru atlasów eolicznych (jeśli istnieją) lub zgromadzone dane przez pobliską stację meteorologiczną , najlepiej do przeprowadzenia pomiaru w miejscu zainstalowania.
We Francji, projekt uważa się za opłacalne ekonomicznie, jeśli średnia roczna prędkość miejscu jest większa niż 6 lub 7 m / s , lub 21 do 25 km na południowy / h . Rentowność ta zależy od wielu innych czynników, z których najważniejsze to koszt podłączenia do sieci oraz koszt fundamentów (określany w przypadku projektu offshore), a także koszty odkupu energii elektrycznej i obciążenia wpływ na środowisko (na dziką przyrodę, krajobrazy, uciążliwości akustyczne i stroboskopowe ).
Niektóre miejsca są wyjątkowe, ponieważ zwiększają prędkość wiatru i dlatego są bardziej odpowiednie dla instalacji turbiny wiatrowej:
Ogólnie rzecz biorąc, zawsze konieczne jest przeprowadzanie dokładnych pomiarów wiatru przez kilka miesięcy, aby zapewnić potencjał wiatru w miejscu. Dokładne badanie umożliwia następnie ekstrapolację danych i mniej lub bardziej precyzyjne określenie rocznych charakterystyk wiatru (częstotliwość, prędkość itp.) Oraz jego ewolucji na przestrzeni lat.
Przy wyborze miejsca brane są pod uwagę inne kryteria:
W przypadku instalacji turbiny wiatrowej zaleca się umieszczenie generatora na maszcie na wysokości od ponad 10 m do około 100 m , aby wychwytywać silniejsze wiatry i mniej zakłócane przez „nierówności” gruntu. Na terenach, gdzie rzeźba terenu jest bardzo złożona, można podwoić ilość wytwarzanej energii , przesuwając instalację tylko o kilkadziesiąt metrów. Pomiary in situ i modele matematyczne umożliwiają optymalizację położenia turbin wiatrowych.
Do izolowanych obszarów narażonych na cyklonyDla tych obszarów zaprojektowano specjalne turbiny wiatrowe: są one odciągane , aby można je było postawić na ziemi w ciągu 45 minut, a także są lżejsze. Mogą również wytrzymać najczęstsze trzęsienia ziemi. Nie wymagają fundamentów tak głębokich jak inne i mogą być transportowane w oddzielnych częściach. Na przykład siedem turbin wiatrowych o mocy 275 kW wytwarza w Terre-de-Bas nadwyżkę energii elektrycznej, umożliwiając jej dostarczanie na Gwadelupę . W latach 1990-2007 na Gwadelupie można było zatem zainstalować 20 MW energii wiatrowej. Wszyscy mogą leżeć na ziemi i schować, jak to miało miejsce podczas przelotu huraganów Ivan i José .
W połowie 2007 r. Na całym świecie zainstalowano około 500 takich turbin wiatrowych o łącznej mocy 80 MW . Moc turbin wiatrowych, które je wyposażają, wzrosła z 30 do 275 kW w ciągu dziesięciu lat.
Głębokie morzeDopóki znajdują się wystarczająco daleko od wybrzeża, morskie turbiny wiatrowe mają mniejszy wpływ na krajobraz lądowy. Z drugiej strony instalacja turbin wiatrowych na morzu jest znacznie droższa niż na lądzie: maszty muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymywały siłę fal i prąd, ochronę przed korozją (szczególnie ważne ze względu na rozpryski i sól) muszą zostać wzmocnione, ustawienie na morzu wymaga specjalistycznego sprzętu, połączenie elektryczne obejmuje drogie i delikatne kable podmorskie, a czynności konserwacyjne mogą wymagać znacznych zasobów. W zamian morska turbina wiatrowa może zapewnić do 6 MW mocy (w porównaniu z lądowymi turbinami wiatrowymi ograniczonymi do 3 MW ), która może wytwarzać użyteczną energię około 15 GWh / rok w miejscach o dobrej wietrzności i przy obciążeniu czynnikowym 30. %, czyli około 2500 godzin / rok .
Na obszarach, gdzie morze jest płytkie (np. W Danii ), łatwo jest je zainstalować z dobrą wydajnością. Na początku 2006 r. Wszystkie turbiny wiatrowe (morskie lub lądowe) w Danii wytwarzały 23% energii elektrycznej w tym kraju. Kraj ten jest pionierem i liderem w budowie i wykorzystaniu energii wiatrowej , a projekt rozpoczął się w latach 70 . Obecnie u wybrzeży Anglii, u ujścia Tamizy oraz w Szkocji budowane są duże parki o łącznej mocy około 4000 MW .
Francja nie posiada jeszcze floty morskiej w 2018 r., Ale zaproszenia do składania ofert zorganizowane w 2012 i 2014 r. Wybrane projekty flot w St-Nazaire-Guérande (420 do 750 MW ), Courseulles-sur-Mer (420 przy 500 MW ) i Fécamp ( 480–500 MW ) oraz w zatoce Saint-Brieuc (480–500 MW ) w 2012 r., A następnie w 2014 r. Na wyspach Yeu i Noirmoutier ( Vendée ) oraz w Tréport (Seine-Maritime), po 500 MW każda. Farma wiatrowa w pobliżu Dieppe i Le Tréport (62 turbiny wiatrowe, 496 MW ) ma zostać oddana do użytku w 2021 r., A Fécamp (83 turbiny wiatrowe, 498 MW ) w 2022 r.
Te pływające turbiny wiatrowe mogą być instalowane dalej kursy, gdzie woda jest o wiele głębsze i silniejsze i bardziej stabilne wiatry, umożliwiając wyższy współczynnik obciążenia. Podczas gdy turbiny lądowe mogą pracować średnio 80 dni w roku, pływające turbiny wiatrowe mogą wytwarzać energię elektryczną przez 160 dni w roku . Pierwsza taka farma wiatrowa powstała u wybrzeży Szkocji. Pole pięciu pływających turbin wiatrowych, każda o wielkości 253 metrów i wadze 12 000 ton, ma łączną moc 30 megawatów, czyli zużycie energii elektrycznej przez około 22 000 gospodarstw domowych.
Według raportu Międzynarodowej Agencji Energetycznej z 2019 r. Morska energia wiatrowa może przyciągnąć 1 bilion dolarów inwestycji do 2040 r .; Potencjał energii wiatrowej na morzu umożliwiłby zaspokojenie zapotrzebowania na energię elektryczną całego świata, ale obecnie stanowi on zaledwie 0,3% światowej produkcji. Ta energia odnawialna może stać się głównym źródłem produkcji do 2040 r.
WysokośćNowe turbiny wiatrowe są w stanie wznieść się na niebie, aby dotrzeć do silniejszych i bardziej regularnych wiatrów. W tej chwili na etapie eksperymentalnym są one trzech typów:
W środowisku miejskim, gdzie silny przepływ powietrza jest trudny do osiągnięcia, do obsługi systemów niskonapięciowych można użyć mniejszego sprzętu. Dachowe turbiny wiatrowe działające w rozproszonym systemie energetycznym łagodzą problemy z dostawą energii i ograniczają przerwy w dostawie prądu. Małe instalacje, takie jak routery Wi-Fi, mogą być zasilane przez przenośną turbinę wiatrową, która ładuje małą baterię.
W Chinach , kilka miast w tym Weihai , w Shandong prowincji lub autostradzie w Hubei prowincji łączącej Jingzhou do zapory Trzech Przełomów , wyposażone są biegunami, w którym połączone są małe generatory milczy wiatrowe i panele słoneczne, aby zasilać oświetlenie uliczne.; nadwyżka energii może zostać ponownie wprowadzona do obwodu elektrycznego miasta. Lokalizacja słupa oświetleniowego jest starannie dobrana (patrz zdjęcie). Instalacje te na ogół wykorzystują turbiny wiatrowe o poziomej osi. Obecnie powstają instalacje tego samego typu, z pionową turbiną wiatrową typu helikalnego Savonius (Twisted Savonius) oferującą 40 W mocy wiatrowej plus 80 W energii słonecznej na jednym biegunie i bardziej zwartej formie. Niektóre wysokie wieżowce , takie jak Pearl River Tower , zawierają w swojej konstrukcji turbiny wiatrowe, wykorzystując silne wiatry spowodowane różnicami temperatur szklanych konstrukcji tych budynków, w zależności od tego, czy są po stronie zacienionej, czy słonecznej. Z energetycznego punktu widzenia te spiralne turbiny wiatrowe typu Savonius również korzystają z efektu Venturiego spowodowanego rozmiarem kanału, który je zawiera, gdy napiera wiatr. Energia wiatru jest sprzężona z energią elektryczną dostarczaną przez okna tej wieży, które są wykonane z przezroczystych paneli słonecznych.
Rozwiązania eksperymentalneW mieście możemy rozważyć instalację turbin wiatrowych o osi pionowej, helikalnej, efektu Venturiego lub mieszanki tych różnych technik, które mają niższą wydajność, ale wytwarzają energię elektryczną nawet przy słabym wietrze i nie generują hałasu.
Turbiny wiatrowe można również umieszczać na dachach wież .
W 2012 roku energia wiatrowa potwierdziła swój status drugiego źródła} odnawialnej energii elektrycznej po hydroenergetyce: przy światowej produkcji 534,3 TWh stanowi 11,4% odnawialnej produkcji energii elektrycznej i 2,4 % całkowitej produkcji energii elektrycznej.
Turbina wiatrowa używana do dostarczania energii elektrycznej do sieci dostarcza około 2 MW w głębi lądu i 5 MW na morzu, ale dostępne są również mniejsze modele.
Na przykład niektóre statki są obecnie wyposażone w turbiny wiatrowe do obsługi sprzętu, takiego jak klimatyzacja. Zazwyczaj są to modele z osią pionową zaprojektowaną tak, aby dostarczać energię niezależnie od kierunku wiatru. Turbina wiatrowa tego typu o mocy 3 kW mieści się w sześcianie o boku 2,5 m .
Niektóre turbiny wiatrowe wytwarzają tylko energię mechaniczną, bez wytwarzania energii elektrycznej, w szczególności do pompowania wody w odizolowanych miejscach. Ten tryb pracy odpowiada trybowi starych wiatraków , które najczęściej wbijały kamienne kamienie szlifierskie; Rzeczywiście, większość 20.000 wiatraków w późnym XVIII -tego wieku we Francji były w młynie .
Sytuacja konkurencyjna sektora energetyki wiatrowej różni się między dwoma głównymi segmentami rynku: w sektorze energetyki wiatrowej na lądzie w 2016 r. Konkurencja była bardzo rozproszona przy dużej liczbie graczy, bez wyłonienia się producenta o dominującej pozycji na rynku światowym. Większość głównych graczy przemysłowych może polegać na aktywnym rynku krajowym, który daje im solidną podstawę do konkurowania i zdobywania udziałów w rynkach międzynarodowych. Dotyczy to w szczególności GE Wind w Stanach Zjednoczonych, Enercon, Senvion i Nordex w Niemczech, Suzlon w Indiach oraz Goldwind, United Power i Mingyang w Chinach. Pozostali gracze są osłabieni i są przedmiotem ruchu na rzecz konsolidacji sektora.
Segment morskiej energetyki wiatrowej jest znacznie mniejszy i nadal ma ograniczone międzynarodowe rozmieszczenie: ogranicza się głównie do kilku rynków na Morzu Północnym, Bałtyku i u wybrzeży Wielkiej Brytanii i pozostaje w rękach mniejszości doświadczonych graczy, przede wszystkim wśród nich jest światowy numer jeden Siemens Wind Power z 80% udziałem w rynku oraz MHI Vestas, wspólna spółka zależna utworzona w 2013 roku przez Duńczyka Vestasa , światowego lidera na lądzie, oraz japońskiego Mitsubishi . Inni producenci są obecni na tym rynku i dostarczyli już swoje pierwsze maszyny, ale mają trudności, ponieważ perspektywy wzrostu nie są tak duże, jak się obecnie spodziewano. Od 2013 r. Fala konsolidacji dotknęła ten sektor: w 2013 r. Doszło do połączenia Vestas i Mitsubishi, a następnie w 2014 r. Powstanie Adwen , wspólna spółka zależna Arevy i Gamesy. W 2015 roku w ręce amerykańskiego GE trafił francuski Alstom, który rozwija morską turbinę wiatrową Haliade 150 .
W dziedzinie energetyki wiatrowej na lądzie niemiecki Nordex i hiszpańska Acciona ogłosiły w październik 2015zamiar połączenia sił, aby wejść do pierwszej piątki na świecie. Kierownictwo Gamesa zapowiedziało29 stycznia 2016 rże podjęli rozmowy z Siemensem w celu połączenia ich działalności związanej z energetyką wiatrową, tworząc poważną pozycję w globalnym sektorze z około 15% udziałem w rynku, przed General Electric (11%) i Vestas (10%). Rozmowy te zaowocowały porozumieniem ogłoszonym w dniu17 czerwca 2016 r : siedziba nowej spółki będzie zlokalizowana w Hiszpanii i pozostanie notowana na giełdzie w Madrycie; Siemens będzie właścicielem 59% nowego podmiotu i zapłaci udziałowcom Gamesa gotówkę w wysokości 3,75 euro za akcję, czyli łącznie ponad miliard euro; Areva będzie miała trzy miesiące na wybór pomiędzy sprzedażą swojego udziału w Adwen lub kupnem udziałów Gamesa, a następnie sprzedażą całej firmy innemu graczowi; General Electric byłby zainteresowany. Wlistopad 2017, Siemens i Gamesa ogłosiły restrukturyzację do 6000 miejsc pracy w 24 krajach. Kiedy w połowie 2016 roku ogłoszono ich związek, dwóch producentów zatrudniało 21 000 pracowników, w tym 13 000 z firmy Siemens. Obroty spadły o 12% między kwietniem awrzesień 2017, ze względu na „czasowe zawieszenie” rynku indyjskiego, a grupa spodziewa się gwałtownego spadku w 2018 roku.
W pierwszej połowie 2016 roku obroty Vestas wzrosły o 23%.
W 2015 roku, według badania opublikowanego na 22 lutego 2016 rprzez Bloomberg New Energy Finance (BNEF), General Electric został zdetronizowany przez chińską grupą Goldwind którym zainstalowano 7,8 GW turbin na świecie w ciągu roku, wyprzedzając Vestas (7,3 GW ) i General Electric (5, 9 GW ). W 2014 roku Goldwind był na 4. miejscu z 4,5 GW zainstalowanymi. Chiny w 2015 roku stanowiły połowę rynku światowym i pięciu chińskich producentów pojawiają się w górnej 10. Siemens jest pierwszym europejskim rankingu 2015 roku 4 th świata z 5,7 GW , z czego 2,6 GW na morzu, odcinek gdzie jest zdecydowanym liderem, cztery razy większy niż numer dwa; Fuzja w jego dyskusji z hiszpańskim Gamesa (3,1 GW ) mogła nosić go do 1 st miejsce na świecie.
Pierwsza dziesiątka producentów w 2015 roku to:
NB: Vestas pozostaje na 1 st miejscem sprzedaży z 8400 mln euro wobec 4180 mln euro dla Goldwind.
W 2012 roku udziały w rynku światowym głównych producentów turbin wiatrowych według BTM Consult kształtowały się następująco:
General Electric Wind kończy wspinaczkę, Vestas traci pierwsze miejsce po dwunastu latach panowania; Niemcy wracają do władzy; Czterech głównych chińskich producentów turbin wiatrowych Goldwind, United Power, Sinovel i Mingyang znajdują się w pierwszej dziesiątce, ale żaden z nich nie znajduje się w pierwszej piątce.
W przybrzeżnych turbin wiatrowych sektora , dwie z głównych producentów, Areva i Gamesa , podpisana wlipiec 2014porozumienie o utworzeniu spółki joint venture należącej w równych częściach do obu grup, której celem jest 20% udział w rynku w Europie w 2020 r., a także wejście na rynek azjatycki, w szczególności chiński, poza fazą. Gamesa posiada prototyp turbiny wiatrowej o mocy 5 MW oraz maszyny Areva o mocy od 5 do 8 MW , w tym 126 jednostek zainstalowanych pod koniec 2014 roku, czyli 630 MW i 2,8 GW w portfelu projektów. Wykorzystując to, co najlepsze w każdej technologii, spółka joint venture zamierza stworzyć pojedynczą platformę o mocy 5 MW .
W 2010 roku udziały w rynku światowym głównych producentów turbin wiatrowych, według Make Consulting, wyglądały następująco:
Główni producenci turbin wiatrowych budują maszyny o mocy od około 1 do 6 MW . Jest wielu, wielu innych producentów turbin wiatrowych, czasami bardzo małych do zastosowań indywidualnych lub niszowych.
Główni producenci turbin wiatrowych pochodzili początkowo głównie z Danii i Niemiec, krajów, które zainwestowały bardzo wcześnie w ten sektor. W 2010 r. Niektóre kraje zwiększają swoje inwestycje, aby nadrobić zaległości, na przykład Stany Zjednoczone z GE Wind, która prawie podwoiła swój udział w rynku w ciągu pięciu lat lub Francja z Arevą , która do 2007 r. Posiadała 70% kapitału. 12 th ranking 2010). Rynek w 2010 roku naznaczył pojawienie się graczy azjatyckich (8 z pierwszej piętnastki), którym udało się zdobyć rynki na Zachodzie.
Niewyczerpująca lista producentów:
W styczeń 2009Według Unii Energii Odnawialnych (SER) sektor energii wiatrowej tworzył średnio 33 nowe miejsca pracy dziennie w Europie w ciągu ostatnich pięciu lat.
Jedną z metod wykorzystywanych do wykorzystywania i magazynowania nadwyżki produkcji z turbin wiatrowych jest podłączenie ich do elektrowni szczytowo-pompowych w elektrowniach wiatrowych : farma wiatrowa wytwarza energię elektryczną za pomocą turbin wiatrowych. Część tej energii jest przesyłana do sieci w celu zaopatrzenia konsumentów, a nadmiar jest wykorzystywany do pompowania wody do zbiornika na wysokości. W okresach słabego wiatru woda ze zbiornika jest poddawana turbinom w elektrowni wodnej i magazynowana w niskim zbiorniku; tak uzyskana energia elektryczna jest przesyłana do sieci.
Projekt tego typu działa na Wyspach Kanaryjskich na wyspie El Hierro od 2014 roku. Ten system o mocy 11,5 MW pozwala uniknąć rocznego transportu tankowcami 6000 ton oleju opałowego i emisji 18 000 ton CO 2.. W pierwszej połowie eksploatacji system ten pokrywał średnio 30,7% zapotrzebowania wyspy na energię elektryczną, zgodnie z danymi w czasie rzeczywistym udostępnianymi przez operatora sieci Red Eléctrica de España (REE).
Eole Water to francuska firma zajmująca się produkcją wody metodą kondensacji powietrza. Rozwinęła zdolności produkcyjne wody pitnej z energii wiatru lub słońca.
Pod koniec okresu eksploatacji lub gdy stanie się przestarzała, turbina wiatrowa może zostać zastąpiona bardziej wydajnym modelem. Następnie jest odsprzedawany na międzynarodowym rynku wtórnym lub demontowany.
Jeśli opanuje się recykling stali, z której składa się maszt, miedź i sprzęt elektroniczny, obróbka łopat stwarza problem. Złożone z mieszanki włókna szklanego i węglowego połączonego żywicą poliestrową, ich spalanie powoduje powstanie mikrocząstek, które zatykają filtry spalarek.
Niektóre firmy (których zależna Remondis Olpe niemieckiej grupy REMONDIS (DE) ), który specjalizuje się w recyklingu oraz w kompleksowym leczeniu łopatki (w tym materiale kompozytowym jest zbliżony do tych kadłubów z pływającego ). Duże ostrza są cięte na miejscu na fragmenty o długości 13 metrów lub mniejsze, a następnie przewożone do zakładu przetwórczego (w Nadrenii Północnej-Westfalii są trzy ). Metale są poddawane recyklingowi, a kompozyty są kruszone i odsprzedawane jako paliwo do cementowni, a krzemionka we włóknie szklanym stanowi również użyteczny składnik cementu. Podzespoły elektryczne i elektroniczne są poddawane recyklingowi przez wyspecjalizowany sektor. Tym samym w pierwszej połowie 2015 roku w Niemczech zdemontowano 158 turbin wiatrowych, a średnioterminowy rynek jest nasycony (w Niemczech działa 24 800 turbin wiatrowych).
Fundamenty turbiny wiatrowej są wypoziomowane tylko do głębokości 1 m , co pozwala na wznowienie działalności rolniczej, ale pozostawia duże cokoły żelbetowe zakopane w piwnicy.
We Francji instalacja krajowej turbiny wiatrowej podlega przepisom; obowiązujące przepisy różnią się w zależności od wielkości turbiny wiatrowej. Witryna Service-public.fr określa zasady, których należy przestrzegać bez pozwolenia na budowę turbiny wiatrowej o maksymalnej wysokości 12 m. Niezastosowanie się do tych zasad naraża sprawcę na karę w wysokości 1200 euro. Powyżej 12 metrów wysokości wniosek o pozwolenie na budowę jest obowiązkowy. Nie wszystkie obszary prawdopodobnie otrzymają krajową instalację turbin wiatrowych; cztery główne obszary są zabronione. Należy wziąć pod uwagę inne zasady. Na przykład konieczne jest wystąpienie o zezwolenie na wycinkę, jeśli teren, na którym zostanie zainstalowana turbina wiatrowa, miał przeznaczenie leśne. W przypadku turbiny wiatrowej mniejszej niż 50 metrów należy zachować odległość co najmniej trzech metrów w stosunku do granicy sąsiedztwa. Sąsiedzi muszą zostać poinformowani z wyprzedzeniem o instalacji turbiny wiatrowej. EN 50 308 norma : „Generator wiatrowy, środki ochronne, wymagania dotyczące projektowania, eksploatacji i konserwacji” odnosi się do energii wiatrowej.
W odniesieniu do akustyki farm wiatrowych, dekret ICPE z dnia 26 sierpnia 2011, ma zastosowanie od 1 st styczeń 2012reguluje ten obszar. Dekret ten dotyczy wszystkich francuskich publicznych i prywatnych parków zakładowych lub „robót związanych z budynkami i ich wyposażeniem podlegającymi procedurze deklaracji lub zezwolenia”. Pewne okoliczności charakteryzują ingerencję w ciszę okolicy lub szkody zdrowotne, takie jak „nieprzestrzeganie warunków określonych przez właściwe organy w odniesieniu do wykonania robót albo wykorzystania lub eksploatacji materiałów lub sprzętu” , „Brak odpowiednich środków ostrożności w celu ograniczenia tego hałasu”, a nawet „nienormalnie hałaśliwe zachowanie”.
W celu sprawdzenia hałasu pochodzącego z turbin wiatrowych prowadzone są badania rozwojowe przyszłych farm wiatrowych, pomiary te wykonywane są na poziomie regulowanych stref wschodów (ZER) przez okres od jednego do kilku tygodni. Celem jest następnie określenie hałasu otoczenia w miejscu, w którym zostaną umieszczone turbiny wiatrowe, poprzez modelowanie najpierw hałasu przyszłych turbin wiatrowych.
Nowe pomiary są wykonywane po wybudowaniu turbin wiatrowych, pomiary te wykonywane są naprzemiennie w fazach postoju i eksploatacji turbin wiatrowych. Jeśli podczas tych pomiarów nastąpi przeregulowanie o 3 do 5 dB powyżej 35 dB, należy obliczyć program mocowania maszyny w celu zmniejszenia hałasu.
Przepisy ICPE pozwalają Prefektowi, w przypadku skarg mieszkańców, poprosić o ekspertyzę na miejscu. Jeśli okaże się, że przepisy dotyczące hałasu nie były przestrzegane, park można zatrzymać. Jednak w praktyce zamknięcie parku z powodu niezgodności z przepisami akustycznymi nigdy nie miało miejsca.