Elektroenergetyka rok III, semestr IV

Elektroenergetyka rok III, semestr IV

Energetyka wiatrowa

Energetyka wiatrowa

Wiadomości ogólne

Wiadomości ogólne

Turbiny wiatrowe mogą mieć znaczny udział w produkcji energii ze źródeł odnawia-lnych.

Turbiny wiatrowe mogą mieć znaczny udział w produkcji energii ze źródeł odnawia-lnych.

W ciągu ostatniej dekady nastąpił znaczny rozwój przemysłu energetyki wiatro-wej.

W ciągu ostatniej dekady nastąpił znaczny rozwój przemysłu energetyki wiatro-wej.

Zwiększyła się moc turbin, wzrosła ich sprawność i dyspozycyjność eksploatacyjna, a farmy

Zwiększyła się moc turbin, wzrosła ich sprawność i dyspozycyjność eksploatacyjna, a farmy

wiatrowe stawały się coraz większe.

wiatrowe stawały się coraz większe.

W celu obniżenia tempa globalnego ocieplenia, rządy większości krajów europejskich

W celu obniżenia tempa globalnego ocieplenia, rządy większości krajów europejskich

ustaliły cele redukcji emisji dwutlenku węgla. Zgodnie z ogólną opinią cele te można

ustaliły cele redukcji emisji dwutlenku węgla. Zgodnie z ogólną opinią cele te można

osiągnąć, za pomocą bodźców skłaniających do oszczędności energii, a z drugiej przez

osiągnąć, za pomocą bodźców skłaniających do oszczędności energii, a z drugiej przez

eksploatację energii odnawialnej na dużą skalę.

eksploatację energii odnawialnej na dużą skalę.

Istotnym rozwiązaniem dla osiągnięcia tych celów jest stosowanie turbin wiatrowych.

Istotnym rozwiązaniem dla osiągnięcia tych celów jest stosowanie turbin wiatrowych.

Niektóre rządy wspierają te działania za pomocą zachęt podatkowych lub inwestycyj-nych.

Niektóre rządy wspierają te działania za pomocą zachęt podatkowych lub inwestycyj-nych.

Północno-zachodnia Europa, z jej wietrznymi wodami przybrzeżnymi i rozbudo-waną siecią

Północno-zachodnia Europa, z jej wietrznymi wodami przybrzeżnymi i rozbudo-waną siecią

elektryczną, stwarza obiecujące możliwości dla inwestycji i rozwoju farm wiatrowych.

elektryczną, stwarza obiecujące możliwości dla inwestycji i rozwoju farm wiatrowych.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

2

Podstawowe zależności na moc i sprawności

Podstawowe zależności na moc i sprawności

Turbiny wiatrowe pobierają energię z wiatru przez przenoszenie siły ciągu powietrza

Turbiny wiatrowe pobierają energię z wiatru przez przenoszenie siły ciągu powietrza

opływające-go wirnik turbiny na łopaty wirnika. Łopaty wirnika są płatami

opływające-go wirnik turbiny na łopaty wirnika. Łopaty wirnika są płatami

areodynamicznymi co pokazuje prze-dstawiony poniżej przekrój poprzeczny łopaty wirnika.

areodynamicznymi co pokazuje prze-dstawiony poniżej przekrój poprzeczny łopaty wirnika.

Rys. 1.

Przekrój płata wirnika, ukazujący składowe prędkości i kierunki wiatru

Przekrój płata wirnika, ukazujący składowe prędkości i kierunki wiatru

Płaszczyzna obrotu wirnika jest ustawiana prostopadle do kierunku wiatru.
Wypadkowy przepływ
powietrza opływającego łopatę wytwarza różnicę ciśnień między nawietrzną i
zawietrzną stroną ło-
paty. Droga powietrza przebyta po stronie zawietrznej jest dłuższa, stąd prędkość
przepływu musi być większa, a w konsekwencji gęstości i ciśnienie niższe.
Różnica ciśnień wytwarza siłę prostopadłą do kierunku wypadkowego przepływu
powietrza. Składowa tej siły wytwarza moment obrotowy, który powoduje obrót wirnika i
wału.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

3

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Masa znajdująca się w ruchu posiada pewną energię kinetyczną. Energia ta jest
proporcjonalna
do iloczynu masy i kwadratu szybkości, wyrażona na jednostkę czasu ma wymiar
mocy.

Energia kinetyczna na jednostkę czasu wynosi:

2

2

1

V

m

P







przy czym:
P - moc [Nm/s] lub [W],
m - masa powietrza na sekundę [kg/s],
V - prędkość wiatru [m/s].

Objętość powietrza przepływającego przez wirnik można wyobrazić sobie jako objętość walca,
która jest zależna od pola powierzchni objętej wirnikiem i szybkości wiatru.

Masa powietrza przepływającego przez wirnik turbiny w ciągu sekundy wynosi:

V

A

m









przy czym:
 - gęstość powietrza [kg/m

3

],

A - pole powierzchni wirnika [m

2

],

V - prędkość wiatru [m/s].

4

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Zależności wcześniejsze prowadzą do wniosku, iż ilość energii powietrza zależy od trzeciej potęgi
prędkości wiatru.

3

2

1

V

A

P











Jeżeli przy prędkości wiatru 6 m/s powierzchniowa gęstość mocy (energia wiatru) wynosi 132 W/m

2

to przy prędkości wiatru 12 m/s powierzchniowa gęstość mocy wyniesie 1053 W/m

2

.

Jednak nie cała energia zawarta w strumieniu powietrza może być przekształcona w
energię uży-teczną na wale wirnika. Teoretyczna sprawność konwersji energii wiatru
wynosi ok. 59%.
Ta wartość graniczna jest określana jako sprawność aerodynamiczna wirnika, lub
współczynnik mocy C

p

.

3

2

1

V

A

C

P

p













Współczynnik mocy C

p

na wale wolnoobrotowym jest zdefiniowany jako sprawność przetwarzania

energii wiatry (nie zaburzonego przepływu powietrza) w energię mechaniczną ruchu obrotowego
głównego wału turbiny, znajdującego się między wirnikiem a przekładnią.
Współczynnik C

p

może być także zdefiniowany dla wału generatora za przekładnią, określanego

jako wał szybkoobrotowy lub na wyjściu transformatora.

5

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Wyjściowa moc elektryczna turbiny, z uwzględnieniem sprawności mechanicznej i elektrycznej, jest
określona zależnością:

3

2

1

V

A

C

P

e













przy czym:

 - gęstość powietrza [kg/m

3

],

A - pole powierzchni wirnika [m

2

],

V - prędkość wiatru [m/s],
C

e

- sprawność całkowita [%].

Współczesne duże turbiny osiągają całkowitą sprawność C

e

od 42% - 46% w odniesieniu do energii

nie zaburzonego przepływu powietrza w rurze o przekroju kołowym i powierzchni przekroju równej
powierzchni objętej wirnikiem.

6

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Porównanie energetyki wiatrowej z konwencjonalnym wytwarzaniem energii elektrycznej

Zalety wykorzystania turbin wiatrowych:

• wytwarzanie czystej energii, w procesie nie powodującym emisji
dwutlenku węgla
ani innych zanieczyszczeń powietrza, wody lub gleby,
• wykorzystanie darmowego źródła energii tj. wiatru, które jest
niewyczerpalne i
niezależne od uwarunkowań politycznych,
• turbiny mogą być stosunkowo łatwo i szybko instalowane, (zmienność
wiatru
powoduje że dostępność eksploatacyjna jest stosunkowo nieduża).

Wady energetyki wiatrowej

• nieprzewidywalność wiatru, (fronty burzowe mogą powodować nagły
wzrost
szybkości wiatru,
• produkcja energii w okresach małych szybkości wiatru jest bardzo niska,
• mało stabilna praca (w celu utrzymania stabilności pewna cześć całkowitej

wytwarzanej mocy powinna być dostarczana z centralnie dysponowanych
stabilnych
elektrowni konwencjonalnych, co również zależy od konfiguracji i
stabilności sieci
elektroenergetycznej).

Niestabilności sieci można zapobiegać poprzez stosowanie inteligentnych
systemów regulacji sprzęgających różne rodzaje jednostek wytwórczych,
odbiorców i sieć pośredni-czącą.

7

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Wykorzystanie energii wiatru

Ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez turbinę zależy od wielkości i typu turbiny oraz od jej
lokalizacji. Przy małej prędkości wiatru turbina nie generuje energii elektrycznej, przy sile wiatru od
2 stopni w skali Beauforta (ok. 3 m/s) turbina wiruje, a przy sile wiatru 6 w skali Beauforta
(12-13 m/s) wytwarza maksymalną moc.

Rys. 2. Typowe charakterystyki turbiny wiatrowej, (moc wyjściowa w funkcji szybkości wiatru)

Nowsze rozwiązania turbin wyposażone w regulacje kąta ustawienia łopat wirnika,
pozwalają na
pracę turbiny i wytwarzanie energii nawet w złych warunkach atmosferycznych.
Jednak w przy-padku bardzo silnych wiatrów burzowych nadal konieczne jest
zatrzymanie turbiny.

8

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Przeciętna turbina, w idealnej lokalizacji, może dostarczać rocznie energię
elektryczną w ilości około 850 kWh na metr kwadratowy powierzchni objętej
wirnikiem.

Innym prostym sposobem szacowania rocznej wydajności energii
elektrycznej z turbiny wiatrowej jest założenie, że dla lokalizacji o przeciętnych
warunkach wiatrowych produkcja jest równoważna w przybliżeniu około 2000
godzin wykorzystania mocy maksymalnej, a dla lokalizacji o dobrych
warunkach w przybliżeniu 3000 godzin.

Przykładowo turbina wiatrowa o mocy 1,5 MW wytwarza 3∙10

6

kWh, co

odpowiada 1500 kW przez 2000 godzin.

Proste sposoby szacowania rocznej wydajności energii elektrycznej

9

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Koszty energii elektrycznej uzyskiwanej z elektrowni wiatrowych

Tabela 1. Rozbicie kosztów energii elektrycznej z elektrowni wiatrowych

Inne wydatki obejmują koszty codziennego zarządzania, ubezpieczenie,
dzierżawę terenu, rekompensaty za hałas oraz podatki.
Obecnie koszty energii uzyskiwanej z elektrowni wiatrowych są nieco wyższe
niż taryfy zakupu dla energii wytwarzanej z konwencjonalnych paliw kopalnych
lub elektrowni jądrowych.

10

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Koszty energii elektrycznej uzyskiwanej z elektrowni wiatrowych

Większość krajów europejskich stosuje zachęty, które stymulują produkcję
energii elektrycznej z energii wiatru i innych źródeł energii odnawialnej i
chociaż każde państwo stosuje swoje własne przepisy to szereg udogodnień
jest wspólnych:
• ulgi podatkowe dla inwestycji w nowe środki trwałe,
• granty na instalowanie nowych środków trwałych,
• niższe stopy oprocentowania dla finansowania z „zielonych funduszy
inwestycyjnych” ,
• zachęty dla produkcji, związane z ilością wyprodukowanej energii.

W przypadku systemu cen gwarantowanych, łącznie z zachętami na poziomie
80 do 100 EUR/MWh, okres zwrotu nakładów zawiera się między 6 lat (>2700
godzin wykorzystania mocy maksymalnej) i 10 lat (>1900 godzin
wykorzystania mocy maksymalnej)

11

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Wybór lokalizacji elektrowni wiatrowej

Przy wyborze lokalizacji turbiny wiatrowej należy uwzględnić szereg zagadnień:

• możliwość pozyskania terenu,

• dostęp dla ciężkich maszyn budowlanych,

• uwarunkowania środowiskowe,

• bliskość sieci średniego napięcia,

• oraz najważniejszy czynnik dostępność odpowiednich warunków wiatrowych.

Ogólne wskazówki, pozwalające na oszacowanie długoterminowych szybkości wiatru, inwestorzy
mogą znaleźć w „European Wind Atlas”.
Drugim źródłem danych są stacje meteorologiczne, położone w odległości 30 – 40 km od zamie-
rzonej lokalizacji.

Bardziej dokładne oszacowanie szybkości wiatru dla zamierzonej lokalizacji i wielkości produkcji
energii farmy wiatrowej można uzyskać za pomocą programu WAsP.
Program wymaga podania jako danych wejściowych długoterminowych rozkładów szybkości wiatru
z co najmniej trzech stacji meteorologicznych. Proponowana lokalizacja i ukształtowanie terenu są
następnie uwzględnienie przy modelowaniu którego wynikiem sa długoterminowe prognozy dla pro-
ponowanej lokalizacji.
W przypadku braku takich danych lub dla terenów o skomplikowanym ukształtowaniu konieczne są
pomiary wiatru, które muszą obejmować okres przynajmniej 1 roku, lub nawet dwóch lat.

12

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Zależność prędkości wiatru od wysokości nad powierzchnią
gruntu

13

Prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością i jest proporcjonalna do drugiej
potęgi wysokości. Przyrost prędkości wiatru zależny jest od szorstkości podłoża
oraz pionowego rozkładu temperatury powietrza.



















o

o

h

h

h

V

V

w której: V

0

- prędkość zmierzona na wysokości h

0

[m/s],

V

h

- prędkość obliczona na wysokości h [m/s],

h

o

- wysokość usytuowania wiatromierza [m],

h - wysokość dla której oblicza się prędkość V

h

[m],

 - wykładnik potęgowy.

Tabela 1. Wielkość wykładnika potęgowego (Lorenc 1992)

Klasa szorstkości
terenu

0

1

2

3

4

5

Współczynnik
szorstkości K

0,005 0,007 0,010 0,015 0,025 0,050

Wykładnik potęgowy
=lg K

0,150 0,165 0,190 0,220 0,270 0,350

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Zależność prędkości wiatru od wysokości nad powierzchnią
gruntu

14

Tabela 2. Klasy szorstkości terenu (Lorenc 1992)

Klasa

Opis terenu

0

płaski teren otwarty, na którym średnia wysokość jakichkolwiek obiektów jest mniejsza
niż 0,5 m

1

teren otwarty z nielicznymi, niskimi przeszkodami, może być nieznacznie pofalowany;
mogą znajdować się luźne, niskie zabudowania lub pojedyncze drzewa w dużych
odległościach od siebie

2

teren z dużymi, otwartymi przestrzeniami, płaski lub pofalowany; mogą znajdować się
drzewa lub grupy drzew, lecz w znacznej od siebie odległości oraz luźna niska zabudowa

3

teren z przeszkodami; należą tu tereny zalesione, przedmieścia dużych miast, małę
miasta i tereny podmiejskie, a także tereny przemysłowe luźno zabudowane

4

teren z licznymi przeszkodami położonymi blisko siebie, skupiska drzew lub budynków,
lecz w odległo ści co najmniej 300 m od miejsca obserwacji

5

teren z licznymi, dużymi przeszkodami położonymi blisko siebie, obszary leśne,
śródmieścia dużych miast i obszary zurbanizowane

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Zależność prędkości wiatru od wysokości nad powierzchnią
gruntu

15

Zmiana prędkości wiatru wraz z wysokością powoduje również zmianę
energii wiatru. Wzór na obliczenie wielkości energii z poziomu mierzonego na
wyższy poziom ma postać:



3















o

o

h

h

h

E

E

gdzie: E

o

- energia wiatru na wysokości h

o

[kWh/m2],

E

h

- energia wiatru przeliczona na wysokość h [kWh/m2].

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Ryzyko projektu

Głównym ryzykiem projektu jest to, że długoterminowe warunki wiatrowe w
miejscu rozważanej lokalizacji będą gorsze niż przewidywane w fazie studium
wykonalności.

Jak wynika z podanych wcześniej zależności, stosunkowo mały spadek
szybkości wiatru będzie miał duży wpływ na wielkości produkcji energii.

Znaczące obniżenie uzysku energii, o np. 10 -15%, może spowodować
wydłużenie zwrotu nakładów do ponad 12-15 lat zamiast typowych 10, co
oznacza że projekt może być nieopłacalny.

Ważne wskazówki

Wskazane jest aby w obliczeniach finansowych zakładać nieco niższą
średnią prędkość wiatru.

Zamiast przyjmować szybkość wiatru z 50% prawdopodobieństwem jej
przekroczenia, należy założyć niższą wartość, dla której prawdopodobieństwo
przekroczenia wyniesie 80% lub 90%.
Przy takich założeniach prędkość wiatru, a zatem i produkcja energii, będzie
wyższa od szacowanej w ciągu każdych 8-9 z 10 lat.

16

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Przy budowie siłowni wiatrowej należy uwzględnić zagadnienia:

• musi być wystarczająca przestrzeń i dobre warunki wiatrowe, (odchylenia
kierunku
wiatru powodowane przez pobliskie przeszkody, mogą istotnie wpływać na
produkcję
energii)

• musi być wydane zezwolenie na eksploatacje farmy wiatrowej na danym
terenie,
(teren przeznaczony pod inwestycje przemysłowe, w przeciwnym
przypadku należy
ubiegać się o zmianę lokalnego planu zagospodarowania terenu),

• miejsce musi by dostępne dla maszyn budowlanych,

• ze względów praktycznych i ekonomicznych turbina powinna być
przyłączona do sieci
elektroenergetycznej, przy napięciach 10-30 kV może to być przyłączenie
do lokalnej
sieci dystrybucyjnej, w przypadku farm wiatrowych o dużych mocach
konieczne jest
ich przyłączenie na poziomie napięcie sieci przesyłowej.

17

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Regulacja mocy turbiny wiatrowej

Większość turbin wiatrowych osiąga maksymalna moc, określaną jako moc
znamiono-wa, przy prędkościach wiatru z przedziału 12 – 14 m/s.

Przy większych prędkościach wiatru powinna być utrzymywana stała
wartość mocy, aby nie przeciążać turbiny wiatrowej pod względem
elektrycznym lub konstrukcyjnym.

W związku z powyższym można wyróżnić trzy metody regulacji mocy
wyjściowej w sytuacjach, gdy prędkości wiatru przekracza znamionowe
warunki projektowe:

• regulacja przez przeciąganie,

• turbiny o zmiennej prędkości obrotowej,

• pośrednie rozwiązania regulacji mocy,

18

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Regulacja przez przeciąganie

Prędkość wirnika jest utrzymywana na stałym poziomie, a napędzany generator przewa-
żnie asynchroniczny, jest przyłączony do sieci publicznej 50 Hz lub 60 Hz bez pośrednictwa
przekształtnika lub innych urządzeń energoelektronicznych.

Regulacja mocy jest oparta na zasadzie aerodynamicznej: kiedy kąt natarcia powietrza
opływającego płat osiąga pewna wartość graniczną (punkt przeciągania) to siła nośna
a zatem i moment obrotowy wirnika, stabilizuje się lub nawet maleje.

Główną zaletą tej koncepcji jest jej prostota – ograniczanie mocy nie wymaga stosowania
układów mechanicznych lub elektrycznych.

Regulacja przez przeciąganie jest obecnie rzadziej używana w zastosowaniu do turbin
o mocach większych niż 1- 1,5 MW, może prowadzić do rezonansu łopat wirnika i w ukła-
dzie przeniesienia napędu.

Kolejną wada jest niska jakość energii elektrycznej uzyskiwanej z turbin wiatrowych z re-
gulacją przez przeciąganie.

19

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Turbiny o zmiennej prędkości obrotowej

Metoda stosowana już w latach 80 i 90 od tego czasu została znacznie rozwinięta i jest
obecnie szeroko stosowana. Prędkość wirnika jest zmienna i zwiększa się proporcjonalnie
do wzrostu prędkości wiatru.

Powyżej prędkości wirnika odpowiadającej mocy znamionowej, moc jest utrzymywana na
stałym poziomie przez zmianę ustawienia łopat w kierunku zmniejszenia kata natarcia, co
powoduje zmniejszenie siły nośnej i momentu wirnika.

Generator synchroniczny jest połączony z siecią za pośrednictwem przemiennika często-
tliwości lub innych układów energoelektronicznych, które pozwalają na dopasowanie czę-
stotliowści.

Zaleta tej metody regulacji jest to, że może być stosowana do turbin o mocach rzędu MW,
bez powodowania niepożądanych rezonansów mechanicznych. Zastosowanie regulacji kąta
ustawienia łopat oraz innych nowoczesnych technik regulacji stwarza możliwości obniżenia
obciążeń projektowych i może stanowić punkt wyjścia do dalszego zwiększania mocy tur-
bozespołów.

Nowoczesne przekształtniki oparte na technologii IGBT lub IGCT w znacznym stopniu
wpływają na poprawę jakości energii elektrycznej.

20

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Pośrednie rozwiązania regulacji mocy

W ostatnich dwóch dekadach wprowadzono szereg metod regulacji mocy wykorzystują-
cych opisane wcześniej mechanizmy regulacji.

Niektórzy producenci stosują metodę regulacji przez tzw. „aktywne przeciąganie”, która
jest połączeniem regulacji przez przeciąganie, zachowującej stałą prędkością wirnika, z
regulacją kąta ustawienia łopat w celu optymalizowania charakterystyk przeciągania.

Innym wariantem jest połączenie regulacji przez przeciąganie przy stałej prędkości wi-
rnika z energoelektroniczną optymalizacja jakości wytwarzanej energii.

21

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Wykorzystanie energetyki wiatrowej w różnych sektorach

Właściciel lu operator turbiny wiatrowej zwykle sprzedaje wytworzoną energie elektry-
czną przedsiębiorstwu dystrybucyjnemu.
Właścicielami lub operatorami mogą być:

• Osoby fizyczne lub przedsiębiorstwa, które finansują projekty inwestycyjne energetyki
wiatrowej z własnych źródeł lub z kapitału pożyczkowego, (do przedsiębiorstw maja
zastosowanie liczne przepisy podatkowe),

• Spółdzielnie, w których osoby prywatne tworzą strukturę prawna w celu wspólnego
zbudowania turbiny wiatrowej lub farmy wiatrowej, udziałowcy partycypują w zyskach
stosownie do efektywności przedsięwzięcia,

• Przedsiębiorstwa dystrybucyjne, które są szczególnie zainteresowane dużymi farmami
wiatrowymi.

22

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Obecny stan energetyki wiatrowej

Podstawowe dane dotyczące energetyki wiatrowej w Europie i na świecie:

• nastąpiło znaczne zwiększenie mocy turbogeneratorów wiatrowych od 40-60 kW do
ponad 5 MW, a średnice wirników od około 10 m do ponad 120 m,

• do końca roku 2005 moc zainstalowana w energetyce wiatrowej wynosiła w skali
światowej 60 000 MW,

• w ciągu ostatnich kilku lat przyrost mocy zainstalowanej w skali światowej wyniósł 25%
w roku 2004 zainstalowano 7500 MW, a w roku 2005 11600 MW,

• większość ok. 60 – 70% mocy energetyki wiatrowej jest instalowana w Europie
5800 MW w roku 2004 i 6200 MW w roku 2005,

• w roku 2006 w energetyce wiatrowej zainstalowano ok. 15000 MW,

• krajami przodującymi w tej dziedzinie są Niemcy, Hiszpania, Dania i Holandia, ich udział
w mocy zainstalowanej w Europie wyniósł 84%, do rozwijających się rynków należą
Austria, Włochy, Protugalia oraz Szwecja i Wielka Brytania,

• obroty przemysłu energetyki wiatrowej w Niemczech osiągnęły w ostatnim roku 4,2
miliarda euro.

23

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Rys. 3. Mapa Europy z zaznaczeniem mocy zainstalowanych w energetyce wiatrowej
w poszczególnych krajach)

24

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Trendy w rozwoju energetyki wiatrowej

• zwiększa się moc i wysokość turbozespołów - przykładowo: z 200 kW w roku 1990
do 1,5 MW w roku 2002,

• maleją koszty inwestycyjne – przeciętny koszt jednostkowy mocy zainstalowanej waha
się obecnie od 900 EUR/kW do 1200 EUR/kW, sama turbina stanowi około 80% cał-
kowitego kosztu, pozostała część to fundamenty, instalacja elektryczna i przyłączenie
do sieci, (ponadto inne koszty obejmują teren, budowę dróg dojazdowych, doradztwo
i koszty finansowe.)

• wzrasta sprawność turbin – połączenie wyższych turbin, lepszych komponentów i le-
pszego usytuowania, przyniosło w wyniku wzrost całkowitej sprawności o 2-3% rocznie
w ciągu ostatnich 15 lat,

• budowane są nawodne farmy – które staja się coraz większe i są coraz liczniejsze,
we współczesnych modelach turbin wykorzystywanych w takich farmach nastąpiło zwię-
kszenie prędkości obwodowej łopat wirnika i wbudowywane są urządzenia dla prac
konserwacyjnych i remontowych
(do końca roku 2003 na wodach przybrzeżnych Danii, Szwecji, Holandii i Wielkiej Bry-
tanii zbudowano nawodne farmy wiatrowe o całkowitej mocy blisko 600 MW)

25

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Technologia turbin wiatrowych

Mimo szybkiego rozwoju podstawowa zasada turbiny wiatrowej pozostała prawie nie-
zmieniona i polega na dwóch procesach konwersji energii, realizowanych przez główne
podzespoły: wirnik

i

generator.

Turbina wiatrowa jest złożonym układem, w którym wykorzystuje się wiedzę z dziedzin
aerodynamiki, mechaniki, elektrotechniki i sterowania.

Rys. 4. Przekrój
aksonometrycz
ny turbiny

26

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Budowa turbin wiatrowych

27

Rys. 5. Przekrój turbiny wiatrowej

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Budowa turbin wiatrowych

28

Rys. 5. Budowa elektrowni wiatrowej (model V80-2.0MW firmy Vestas) moc 2 MW
1) kontroler 2) siłownik mechanizmu przestawiania łopat 3) główny wał 4) chłodnica oleju 5)
skrzynia przekładniowa 6) wieloprocesorowy układ sterowania 7) hamulec postojowy 8) dźwig dla
obsługi 9) transfor-mator 10) piasta łopaty 11) łożysko łopaty 12) łopata 13) układ hamowania
wirnika 14) układ hydrauliczny
15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika 16) pierścień układu kierunkowania 17)
fundament 18) koła zębate układu kierunkowania 19) generator 20) chłodnica generatora powłok
przymocowanych do belki nośnej.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Podstawowe elementy siłowni wiatrowych

Wirnik i łopaty – wirnik nowoczesnej turbiny posiada najczęściej trzy łopaty lub płaty.
Łopaty są wykonywane z poliestru wzmocnionego włóknem szklanym lub węglowym.
Handlowo dostępne są łopaty o wymiarach od 1 m do ponad 100 m.
Łopaty są montowane do piasty a ich kąt ustawienia może być regulowany.

Gondola – pełni funkcję maszynowni turbiny, może obracać się na maszcie wokół jego
osi tak aby wirnik był ustawiony prostopadle do kierunku wiatru. Funkcję kierunkowania
realizuje automatyczny system sterowany przez chorągiewkę kierunkową.
Maszynownia jest dostępna z masztu i mieści wszystkie główne podzespoły jak wał głó-
wny z ułożyskowaniem, przekładnie zębatą, układy hamowania i kierunkowania.

Przekładnia – służy do zwiększania stosunkowo niskiej prędkości obrotowej wirnika
(około 20 obr/min przy średnicy 52 m) do wartości wymaganej przez generator
(1500 obr/min).

29

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Podstawowe elementy siłowni wiatrowych

Generator – obecnie dostępne są trzy podstawowe typy turbin wiatrowych.
Główne różnice między nimi dotyczą rodzaju zastosowanego generatora i sposobu ogra-
niczania sprawności aerodynamicznej wirnika przy szybkościach wiatru przekraczających
wartość nominalną, w celu zabezpieczenia turbiny przed przeciążeniem.

• prądnica asynchroniczna z wirnikiem klatkowym,

• podwójnie zasilana prądnica asynchroniczna z wirnikiem uzwojonym,

• bezpośrednio napędzana prądnica synchroniczna,

Prawie wszystkie turbiny wiatrowe wykorzystują obecnie jeden z trzech systemów:

30

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Podstawowe elementy siłowni wiatrowych

Rys. 6. Układy generacji powszechnie stosowane w turbinach wiatrowych

31

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Podstawowe elementy siłowni wiatrowych

Prądnice asynchroniczne z wirnikiem klatkowym - stosowane we wcześniejszych
konstrukcjach turbin. Ze względu na dużą różnicę prędkości obrotowych turbiny i prądnicy
konieczne jest sprzężenie ich za pomocą przekładni.
Uzwojenia stojana są połączone z siecią.
Taki układ jest określany jako turbina o stałej prędkości, chociaż prądnica indukcyjna do-
puszcza niewielkie zmiany prędkości wirnika (około 1%).
Ponieważ prądnica asynchroniczna klatkowa pobiera moc bierną, co szczególnie w przy-
padku słabej sieci jest niepożądane, układ ten wymaga kompensacji mocy biernej.

Podwójnie zasilana prądnica asynchroniczna – z uzwojonym wirnikiem zawiera
w obwodzie wirnika przetwornicę częstotliwości, która podaje do obwodu wirnika napięcie
o regulowanej częstotliwości.
Częstotliwość prądu wirnika jest regulowana tak, aby częstotliwość stojana była równa
częstotliwości sieci, z którą uzwojenia stojana są bezpośrednio połączone.
Dopasowanie prędkości wirnika i prądnicy umożliwia przekładnia.

32

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Podstawowe elementy siłowni wiatrowych

Bezpośrednio napędzana prądnica synchroniczna - nie wymaga stosowania prze-
kładni.

Prądnica jest całkowicie odprzężona od sieci za pomocą układów energoelektronicznych.

Szybkość obrotowa prądnicy jest znacznie niższa niż w poprzednich systemach, stoso-
wane są zatem specjalne, niskoobrotowe maszyny, które wyróżniają się stosunkowo dużą
średnicą i umiejscowieniem w pobliżu wirnika turbiny.

Istnieje więc zasadnicza różnica między energetyką wiatrową a wytwa-
rzaniem energii w elektrowniach cieplnych lub jądrowych – w turbinach wia-
trowych nie stosuje się generatorów synchronicznych pracujących bezpo-
średnio na sieć.

33

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Podstawowe elementy siłowni wiatrowych

Układ hamowania – wykorzystywane są w odporne i niezawodne systemy bezpiecze-
ństwa w tym aerodynamiczny system hamowania turbiny.
Dla celów hamowania awaryjnego lub postojowego zatrzymania turbiny podczas prac
Konserwacyjnych lub remontowych, stosowany jest zwykle hamulec tarczowy.

Układ sterowania – turbiny wiatrowe są wyposażone w zaawansowane systemy stero-
wania, które dostarczają szczegółowych informacji dotyczących stanu turbiny.
Informacje te mogą być pobierane przez łącze komunikacyjne, za pomocą którego mo-
żna także zdalnie realizować niektóre funkcje sterowania turbiną.

34

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

Perspektywy rozwoju siłowni wiatrowych

W chwili obecnej 2006, turbiny wiatrowe o sprawdzonej technologii dostępne są w za-
kresie mocy od 1,5 do 3,0 MW.
W Europie Zachodniej skoncentrowano się głównie na turbinach o mocach 2 – 3 MW.
W niektórych krajach np. Południowej Europy, Azji i Ameryki Łacińskiej o słabej infra-
strukturze transportowej lub z przewagą obszarów górskich, bardziej odpowiednie są tur-
biny o mniejszych parametrach. Z tego względu w skali światowej największe zapotrzebo-
wanie jest na turbiny w zakresie mocy 0,8 – 1,3 MW.

35

Obecnie wprowadza się do użytku turbiny o mocach 5 -6 MW, które charakteryzują się
wysokością położenia wału 120 m lub więcej i średnicą wirnika przekraczającą 110 m.
Głównymi problemami oprócz nadal wysokich kosztów na jednostkę mocy zainstalowa-
anej, są ciężar i wymiary gabarytowe podzespołów, których transport jest trudny.

Częściowo ten problem rozwiązywany jest poprzez budowanie i instalowanie masztów z
prefabrykowanych elementów żelbetowych lub konstrukcji żelbetowych z betonu wyle-
wanego, zamiast stalowych segmentów rurowych.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

36

Perspektywy rozwoju siłowni wiatrowych

Rozwiązania wprowadzane w zakresie wykorzystania turbin są następujące:

• wzrastający udział turbin o zmiennej prędkości wirnika, wyposażonych w urządzenia
energoelektroniczne,
• w segmencie urządzeń o mocy przekraczającej 1 MW, przekładnia jest najsłabszym
ogniwem, niektórzy producenci oferują turbiny bez przekładniowe z dużymi (średnice
do 5 m), wielobiegunowymi generatorami synchronicznymi, dostępne są także roz-
wiązania hybrydowe, np. Z jednostopniową przekładnią podwyższającą i gabarytowo
mniejszym generatorem wielobiegunowym,

• rozwój turbin o mocach przekraczających 1 MW będzie koncentrował się na zmniejsza-
niu ciężaru i ograniczeniu wymiarów, droga do osiągnięcia tych celów jest optymalizacja
strategii sterowania, prowadząca do mniejszego obciążenia podzespołów, a zatem
zmniejszenia ich masy,

• w przypadku urządzeń nawodnych uwaga będzie skierowana na niezawodność, zdalne
sterowanie i zwiększenie mocy zainstalowanej jednostek (ponad 10 MW),

• w turbinach lądowych prace dotyczą zmniejszania poziomu uciążliwości dla otoczenia
(hałas) wysokiej sprawności, łatwości i niskich kosztach transportu i montażu przy je-
dnoczesnym ograniczeniu mocy zainstalowanej do 6 – 8 MW.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

37

Koszty energii elektrycznej z siłowni wiatrowych

Ceny produkcji energii elektrycznej w energetyce wiatrowej zależą w znacznym stopniu
od lokalizacji turbiny. Prędkość wiatru i koszt przyłączenia do sieci mogą zmieniać się w
zależności od lokalizacji.
Dla zastosowań komercyjnych cena wytwarzanej energii waha się od 5 eurocentów/kWh
dla obszarów z dobrymi warunkami do 8 eurocentów/kWh w głębi lądu.
Koszt produkcji energii elektrycznej wytwarzanej z paliw kopalnych wynosi w przybliżeniu
4 eurocenty/kWh

Przedstawiona kalkulacja kosztu jest oparta na założeniach:

• dla nowej średniej wielkości turbiny o mocy zainstalowanej 850 – 2500 kW,

• koszty eksploatacji i konserwacji wynoszą średnio 1,2 eurocenta/kWh w okresie użytko-
wania 20 lat, zagregowane wydatki (dzierzawa terenu, podatki, ubezpieczenie, konser-
wacja) wynoszą ok. 2 eurocenty/kWh.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

38

Koszty energii elektrycznej z siłowni wiatrowych

Oprócz kosztów inwestycyjnych oraz kosztów eksploatacji i obsługi, należy również uw-
zględnić koszty następujących elementów:

• opracowanie przedsięwzięcia,

• przygotowanie placu budowy,

• fundament turbiny,

• przyłączenie do sieci,

• podatek od nieruchomości.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

39

Korzyści z wytwarzania energii elektrycznej z siłowni wiatrowych

Właściciel turbiny wiatrowej sprzedaje wytworzona energię elektryczną przedsiębiorstwu
dystrybucyjnemu.
Z punktu widzenia przedsiębiorstwa dystrybucyjnego wartość energii elektrycznej wy-
twarzanej przez elektrownie wiatrową powinna być wyznaczona przez równoważny koszt
jej wytwarzania z węgla lub gazu.

Gdyby właściciel farmy wiatrowej był tylko w takim stopniu wynagradzany, to energe-
tyka wiatrowa nie byłaby przedsięwzięciem opłacalnym ekonomicznie.

Przedsiębiorstwa dystrybucyjne płaca również za gwarantowaną dostawę energii.
Statystyki pokazują, że przy małych szybkościach wiatru, energia wytwarzana z wiatru
stanowi w przybliżeniu 25% mocy gwarantowanej.

W większości krajów europejskich energetyka wiatrowa nie ma obecnie
szans na przetrwanie pod względem ekonomicznym bez zachęty ze strony
państwa.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

40

Lokalne oddziaływanie energetyki wiatrowej:

• wpływ na ptaki – które mogą kolidować z łopatami wirnika lub zostać uwięzione
w turbulencji za wirnikiem,

• wpływ nawodnych turbiny na ryby – nawodne farmy wiatrowe mają korzystny
wpływ na rybostan,

• hałas – wirnik wytwarza specyficzny szum, a mechaniczny hałas przekładni i genera-
tora są również słyszalne,

• cień – wirujące łopaty turbiny rzucają cienie, co może być uciążliwe dla osób przeby-
wających w pobliskich obiektach,

• wpływ na krajobraz – turbiny są konstrukcjami wybijającymi się na tle krajobrazu.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

41

Lokalne oddziaływanie energetyki wiatrowej:

Rys. 7. Zależność poziomu hałasu generowanego przez turbinę od odległości

Rys. 8. Względny poziom hałasu dla wybranych źródeł dźwięku

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

42

METODY OCENY ZASOBÓW WIATRU l WYDAJNOŚCI ENERGETYCZNEJ
ELEKTROWNI WIATROWEJ

• Metoda szacunkowa,

• Metoda bazująca na mapie potencjału energetycznego wiatru,

• Metoda z wykorzystaniem nomogramów,

• Metoda oceny zasobów wiatru w oparciu o program WasP
uwzględniająca dane zebrane ze stacji meteorologicznych,

• Ocena potencjału energetycznego wiatru metodami probalistycznymi,

• Metoda oceny rocznej produkcji energii elektrycznej dla farmy elektrowni
wiatrowych,

• Metody określania energii wiatru i wydajności elektrowni wiatrowej na
podstawie średniorocznej prędkości wiatru i prędkości znamionowej
elektrowni wiatrowej.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

43

Metoda szacunkowa

Oceny zasobów wiatru w danym rejonie dokonuje się na podstawie danych
uzyskanych ze stacji meteorologicznych. Zaobserwowano, że istnieje duża
zależność między średnią prędkością wiatru a czasem trwania wiatru w różnych
przedziałach prędkości. Stwierdzono też, że te same wartości średnich
prędkości mają prawie identyczne rozkłady.

1. Na podstawie średniej prędkości wiatru określa się rozkład prędkości wiatru,
dla róż-nych jej przedziałów czyli określa się ile godzin w roku wiatr wieje z
określoną prędkością

Rys. 9. Rozkład
średnich
prędkości
wiatru

2. Oblicza się średnią moc wiatru odniesioną do powierzchni 1 m2 dla

każdego przedziału prędkości, na podstawie wzoru:



















2

2000

3

1

3

n

n

n

V

V

N



w którym: N

n

- moc wiatru dla n-tego przedziału

prędkości [kW/m

2

],

 - gęstość powietrza [kg/m

3

],

V

n

- V

n+1

- granice przedziału prędkości wiatru [m/s].

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

44

Metoda szacunkowa cd.

3. Oblicza się energię wiatru dla n-tych przedziałów prędkości według wzoru

:

n

n

n

t

N

E





w którym: E

n

- energia wiatru wyliczona dla n-tego przedziału prędkości [kWh/m

2

/rok],

t

n

- czas trwania prędkości z n-tego przedziału (wyznacza się z wykresu).

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

45

Metoda szacunkowa cd.





n

n

c

E

E

1

A

E

E

c

netto













4. Oblicza się całkowitą energię wiatru w roku, która jest sumą:

5. Zakłada się, że współczynnik wykorzystania energii wiatru 0,3
- 0,45.

6. Określa się wydajność energetyczną elektrowni wiatrowej ze
wzoru:

Przy czym:

E

netto

- energia netto uzyskana z elektrowni wiatrowej,

η - sprawność mechaniczna i elektryczna elektrowni,
A - powierzchnia wirnika elektrowni [m

2

].

Przedstawiona powyżej metoda daje jedynie przybliżoną ocenę zasobów

wiatru i wydajności energetycznej elektrowni wiatrowych, bazuje na
standardowych rozkładach średnich prędkości wiatru oraz na danych
meteorologicznych.

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

46

Metoda bazująca na mapie potencjału energetycznego wiatru

W metodzie tej bazuje się na mapie potencjału energetycznego wiatru w
kWh/m

2

na rok wyznaczonego na podstawie danych meteorologicznych.

Do obliczania rocznej produkcji energii należy znać jedynie powierzchnię
wirnika A oraz sprawność ogólną elektrowni.

Wielkość energii wiatru oblicza się według wzoru:

[kWh/rok]









A

K

E

e

w którym: K

e

- potencjał energetyczny wiatru odczytany z mapy

[kWh/m

2

/rok],

A - powierzchnia wirnika elektrowni [m

2

],

η - sprawność elektrowni dla nowoczesnych elektrowni
(przyjmuje się
η = 0,25).

Przedmiot: Podstawy elektroenergetyki, Temat: Energetyka wiatrowa

47

Metoda bazująca na mapie potencjału energetycznego wiatru

Rys. 2. Potencjał energetyczny wiatru w kWh/m

2

/rok na wysokości 30 m w terenie

płaskim