Moment obrotowy w turbinach wiatrowych istotny dziś jak i w przeszłości. Nie tak dawno temu koniec lat 70-tych, początek 80-tych wtedy nie było jeszcze wiadomo czy energia wiatrowa będzie w stanie wygenerować energię elektryczną w sposób produktywny. Żeby to wyjaśnić trzeba było przeprowadzić pomiary, których rezultat jest obecny dziś wszędzie. Podstawy. Projekt badawczy ET 4063 finansowany przez Niemieckie Federalne Ministerstwo Badań i Technologii oraz Przemysł [1], jasno wskazał, że energia wiatrowa może przyczynić się do zabezpieczenia naszych dostaw energii, będąc jedną z jej źródeł. Fot. 1 pokazuje pilotażową elektrownie wiatrową tamtych czasów.
Przetworniki momentu obrotowego używane w latach '80. W trakcie realizacji projektu badawczego wykorzystano przetwornik momentu T30FN o zakresie nominalnym (znamionowym) 10 kn m. F w nazwie typu odnosi się do częstotliwości - modulowanej metody transmisji sygnału. Oznacza to bezkontaktowe przeniesienie sygnału pomiarowego i dostarczenie energii do rotora bez wpływu czynników zakłócających, na przykład różnic w szczelinie powietrznej. N w nazwie typu oznacza zintegrowany magnetyczny pomiar prędkości obrotowej. Moc mechaniczna, jako wielkość wejściowa generatora może być określona na podstawie momentu i prędkości obrotowej. Fot. 2 przedstawia przetwornik momentu zainstalowany na szczycie masztu. Fot. 3 wyraźnie wskazuje na zależność między prędkością wiatru i momentu obrotowego [2]. Moment obrotowy wzrasta wraz z coraz większą siłą wiatru - podczas gdy prędkość obrotowa pozostaje niezmieniona. Rezultat: generowana jest dodatkowa moc mechaniczna. Jednakże oznacza to również, że generator może produkować więcej energii elektrycznej. Fot. 2: przetwornik T30FN zainstalowany pomiędzy rotorem i generatorem Fot. 3: diagram moment-prędkość wiatru Status quo: Energia wiatrowa dzisiaj. Obecnie energia wiatrowa jest jedną z głównych odnawialnych źródeł energii i nadal jest rynkiem przyszłości o dużym potencjale i atrakcyjnych stopach wzrostu. Ponadto zapotrzebowanie na energię gwałtownie wzrosło, a popyt na jej alternatywne formy praktycznie eksplodował w wyniku odchodzenia od energii nuklearnej. Na początku lat 90-tych średnia moc znamionowa turbiny wiatrowej wynosiła 200 kw. Obecnie wynosi ona 2 MW. Nastąpił zatem wzrost mocy wyjściowej przez współczynnik 10 w ciągu niespełna 15 lat. Wzrost ten wynika przede wszystkim z większych średnic rotora. Podwojenie średnicy wirnika daje czterokrotny wzrost powierzchni efektywnej Pomiary wielkości mechanicznych na turbinie wiatrowej. Moc wirującego ciała jest otrzymywana z iloczynu momentu i prędkości kątowej. P - moc w N m/s (1N m/s = 1 W = 0.00136 metrycznych KM) M - moment obrotowy w Nm ω - prędkość kątowa w s -1 N - prędkość obrotowa w obr/min
Przekształcenie daje zależność dla momentu obrotowego, wielkości, która ma być zmierzona. Obliczony moment obrotowy nie może być w żaden sposób bezpośrednio wykorzystany jako podstawa do wyboru tarczy momentomierza, ponieważ nie uwzględnia żadnych dodatkowych czynników zewnętrznych wpływających na pomiar, na przykład rozruchu lub drgań. Ogólne informacje na temat pomiaru momentu obrotowego znajdują się w [3]. Przekładnia. W turbinach wiatrowych istnieje "konflikt interesów" pomiędzy prędkością napędu rotora, ograniczoną dla przykładu przez prędkość wiatru, a wymaganą prędkością obrotową generatora. W przypadku dwóch par biegunów wymagana jest prędkość obrotowa 1500 obr/min dla częstotliwości zasilania 50 Hz. [4]. Rozwiązaniem jest użycie przekładni. Przekładnia konwertuje prędkość obrotową i moment obrotowy i przenosi dużą moc. W nowoczesnej multi-megawatowej turbinie wiatrowej [5], są one wykorzystywane do konwersji niskiej prędkości obrotowej rotora - około 14 obr/min na wysoką prędkość obrotową wału generatora na poziomie około 1400-1650 obr/min. Konwersja ta polega na redukcji wysokiego momentu obrotowego wirnika w zależności od przełożenia przekładni. Fot. 4 pokazuje tarczę momentomierza T10FM* firmy HBM o wartości nominalnej (znamionowej) 40 kn m. użytej na wejściu generatora. Fot. 4: momentomierz T10FM na stanowisku testowym Rexroth (Werksbild Bosch Rexroth / Witten) Przekładnie turbin wiatrowych ważą wiele ton i w większości przypadków są kompaktowymi, połączonymi przekładniami planetarnymi. Mimo, że dyskusje na temat turbin wiatrowych bez przekładni są nadal prowadzone nie ulega watpliwości, że moment obrotowy generowany przez łopatki rotora zawsze musi być bardzo wysoki, aby wygenerować wystarczającą moc elektryczną. *T10FM nie jest już sprzedawany. Kontynuacją modelu jest cyfrowy momentomierz tarczowy T40FM. Moment obrotowy. Pomiar momentu obrotowego waha się w zakresie od kilo-niutonów (knm) do kilku Mega-Niutonów (MNm). Zilustrujemy to następującym przykładem: Generator: P = 2 MW Przekładnia: 1:100 Moc generatora 2 MW i prędkość obrotowa 1500 obr/min daje następującą formułę:
(1) MD = 12,74 kn m / n = 1500 obr/min (2) MD = 1,3 kn m / n = 15 obr/min Większe generatory o niższych prędkościach obrotowych poddawane są dyskusji. Jednakże przetworniki momentu obrotowego będą wtedy osiągać swoje granice. Fot. 5 pokazuje 1,5MN przetwornik, zaprojektowany dla osiągania wyższych nominalnych (znamionowych) momentów. Fot. 5: Propozycja konstrukcji momentomierza 1,5MN Nie zagwarantowano jednak wzorcowania tego ogromnego przetwornika momentu obrotowego. Niemiecki Narodowy Instytut Metrologii (PTB) w Brunszwiku, jako siedziba największego na świecie urządzenia do kalibracji momentu obrotowego w chwili obecnej posiada sprzęt testujący do kalibracji umożliwiający wzorcowanie 1,1MN momentomierza z dokładnością 0,1% [6]. Aktualna ofertę HBM dot. kalibracji momentu obrotowego przedstawiono na rysunku. 6.
Fot. 6: oferta kalibracji momentu obrotowego firmy HBM Wnioski. Powyższy artykuł wyraźnie pokazuje, jak ważne w przeszłości były pomiary momentu obrotowego w turbinach wiatrowych i jak istotne jest to dzisiaj. Nie można wytworzyć energii elektrycznej bez rotacji, a więc nie ma energii bez prędkości kątowej i momentu obrotowego. Literatura [1]Herbert Lauer: Die Windkraft meßtechnisch erfaßt, Markt&Technik No. 44 dated October 30, 1981 [2]MESSTECHNISCHE BRIEFE, MTB 17 (1981) Issue 2, Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 64293 Darmstadt [3]Rainer Schicker, Georg Wegener: Measuring Torque Correctly, ISBN 3-00-008945-4 Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt [4] www.energiewelten.de [5]Christian Scheer, Rainer Schicker: Energie wird knapp. Getriebe und moderne Drehmomentmesstechnik tragen zur Energieerzeugung aus Windenergie bei, Windkraftkonstruktion, http://www.windkraftkonstruktion.vogel.de/automation/articles/327594/ [6] http://www.ptb.de/cms/index.php?id=2447