ei 2005 04 s074

background image

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 4 / 2 0 0 5

n a p ę d y i w y t w a r z a n i e e n e r g i i

Artykuł jest drugim z serii tekstów tworzących cykl „Techniczno-ekonomiczne przesłan-

ki budowy i instalacji elektrowni wiatrowych w Polsce”. Tym razem autorzy przedstawili

wybrane instalacje o dużych mocach, omówili konstrukcje siłowni wiatrowych i poruszyli

zagadnienia dotyczące współpracy z siecią i rozwiązania problemów technicznych zwią-

zanych z elektrowniami wiatrowymi. Zainteresowanych tematem zachęcamy także do

lektury tekstu, który ukazał się we wrześniowym numerze „elektro.info” 2004. Przed-

stawiono w nim podstawy pozyskiwania energii elektrycznej z wiatru w warunkach pol-

skich. Następna część cyklu będzie dotyczyła zagadnień opłacalności budowy elektrow-

ni wiatrowych i ich wpływu na środowisko naturalne.

74

n a p ę d y i w y t w a r z a n i e e n e r g i i

techniczne aspekty budowy

i instalacji elektrowni

wiatrowych w Polsce

mgr Renata Dzik, mgr inż. Tomasz Dzik, dr inż. Andrzej Wójciak – Politechnika Warszawska

elektrownie wiatrowe

na świecie i w Europie

O

becnie instalowane elektrownie
wiatrowe mają moce 0,1÷4,5 MW.

Wybrane dane dotyczące elektrowni
wiatrowych na świecie przedstawia

ta-

bela 1. W tabeli 2 zestawiono dane do-

tyczące europejskich elektrowni wia-
trowych o mocach rzędu MW nato-
miast, ich sylwetki przedstawione są
na

rysunku 1. W warunkach polskich

elektrownie wiatrowe charakteryzu-
ją się czasem wykorzystania mocy za-
instalowanej około 1500 – 2000 godzin
na rok.

budowa siłowni

wiatrowych

Uproszczony schemat budowy typo-

wej siłowni wiatrowej przedstawia

rysu-

nek 2 [12]. Elektrownia wiatrowa skła-
da się z wirnika z rozmieszczonymi na
nim łopatami, który poprzez wał łączy go

z przekładnią i dalej z generatorem. Ca-
łość umieszczona jest na wieży. W gondo-
li znajduje się jeszcze wiele innych urzą-
dzeń wspomagających i kontrolujących
prawidłową pracę tego urządzenia.

praca elektrowni wiatrowej

na sieć wydzieloną

W elektrowniach wiatrowych sto-

suje się wiele typów układów kon-
wersji energii, zarówno z prądnicami
prądu stałego, jak i prądu przemien-
nego (

rys. 3 i rys. 4) [12]. Rodzaj za-

stosowanego układu zależy od prze-
znaczenia siłowni (praca na sieć wy-
dzieloną lub sztywną) oraz jej mocy.

Układ „a” z

rysunku 3 jest prosty, ale

mało uniwersalny ze względu na ener-

Rys. 1 Europejskie elektrownie wiatrowe o mocach rzędu

MW (sylwetki)

Rys. 2 Schemat budowy typowej siłowni wiatrowej

Rys. 3 Schematy układów konwersji w elektrowniach wia-

trowych pracujących na sieć wydzieloną z prądnica-

mi prądu stałego

Rys. 4 Schematy układów konwersji w elektrow-

niach wiatrowych pracujących na sieć wy-

dzieloną z prądnicami prądu przemiennego

Rys. 5 Przykładowy dobowy wykres prądu wytwa-

rzanego z turbiny wiatrowej (17 kwietnia)

background image

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 4 / 2 0 0 5

75

gię prądu stałego na wyjściu. Ten pro-
blem rozwiązano w układzie „b”, stosu-
jąc falownik, który umożliwi dopasowa-
nie częstotliwości i amplitudy napięcia
do parametrów wymaganych przez od-
biorniki powszechnego użytku. Podob-
nie jest w układach z prądnicami prądu
przemiennego, tylko dodatkowo trzeba
stosować w nich prostownik. Przy ta-
kich konfiguracjach, aby zapewnić cią-
głość dostaw energii, potrzebne jest za-
stosowanie baterii akumulatorów.

praca elektrowni wiatrowej

na sieć sztywną (układy

energetyki zawodowej)

W elektrowniach wiatrowych w wy-

niku zmian prędkości wiatru następu-
ją znaczne zmiany w ilościach produ-
kowanej energii. Przykładowy dobo-
wy wykres wytwarzanego prądu z 17
kwietnia przedstawiony został na

ry-

sunku 5. W przypadku dołączania du-
żej liczby elektrowni wiatrowych do sie-

ci energetycznej mogą powstać proble-
my związane z niestabilnością systemu
energetycznego (wahania napięć). Ta-
kie trudności występują przy stosowa-
niu układów z maszyną asynchroniczną
(rys. 6). Problem ten można częściowo
złagodzić, stosując w elektrowni wiatro-
wej złożone systemy maszyn elektrycz-
nych pracujące w połączeniu z układa-
mi energoelektronicznymi, przedsta-
wiają to

rysunki 7, 8 i 9.

Są to jednak rozwiązania znacznie

droższe niż układy z maszyną asyn-
chroniczną i tylko częściowo rozwiązu-
ją problem. Ze względu na negatywny
wpływ elektrowni wiatrowych (wraz
z wzrastającą ich mocą) na sieć energe-
tyczną w Polsce, konieczne jest włącze-
nie tych elektrowni do sieci wysokie-
go napięcia (WN). Jednak w tym przy-
padku wzrasta koszt aparatury łącze-

niowej. Najlepszym rozwiązaniem pro-
blemu jest wyposażenie sieci elektrycz-
nej w tzw. lokalne zasobniki energii,
które mogłyby w sposób natychmia-
stowy magazynować nadwyżki energii
z elektrowni wiatrowych i oddawać te
nadwyżki do sieci w przypadku braku
energii z tych elektrowni.

Rysunek 10

przedstawia schemat blokowy takiego
zasobnika energii. Jest to jednak roz-
wiązanie bardzo kosztowne.

elektrownie hybrydowe

Rozwiązaniem w miarę stabilnego

przekazywania energii do odbiornika
lub sieci energetycznej jest łączenie elek-
trowni wykorzystujących źródła odna-
wialne w elektrownie hybrydowe.

Ry-

sunek 11 przedstawia schemat blokowy
takiej hybrydowej elektrowni słonecz-

no-wiatrowej. Przeprowadzone badania
wykazały, że w układzie tym jest stosun-
kowo łatwo realizować zasadę „maksi-
mum energii ze źródła najtańszego”, co
poprawia opłacalność takich elektrowni.
Inny przypadek zastosowania elektrow-
ni hybrydowej przedstawia

rysunek 12.

Zastosowano w nim „magazyn wodoru”
dla usprawnienia pracy układu z turbi-
ną wiatrową. Układ taki mógłby zasilać
w energię elektryczną np. miasto.

koncepcja hybrydowej

elektrowni wiatrowej

z zasobnikiem energii

Znane wady elektrowni wiatro-

wych, takie jak: zależność ilości pro-
dukowanej energii od warunków ze-
wnętrznych, mała dyspozycyjność
elektrowni wiatrowej zależna od pory
dnia i pory roku oraz natychmiasto-
we odłączenie od sieci w przypadku
przekroczenia dopuszczalnej prędkości
wiatru (gwałtowne stany przejściowe)
itp., są przyczyną, że elektrownie wia-
trowe źle współpracują z sieciami nn.
Dlatego włącza się to źródło energii do
sieci WN. Rozwiązanie takie jest akcep-
towalne z punktu widzenia techniki,
lecz pociąga za sobą znaczne koszty.
Trudno sobie wyobrazić budowę GPZ
dla jednej elektrowni wiatrowej o mo-
cy 2÷4 MW. Rozwiązanie takie jest eko-

Rys. 9 Turbina wiatrowa z maszyną dwu-

stronnie zasilaną (pierścieniową)

i układem energoelektronicznym

Rys. 6 Maszyna asynchroniczna

Rys. 10 Zasobnik energii elektrycznej

Rys. 11 Hybrydowa elektrownia słoneczno-wiatrowa

Rys. 7 Turbina wiatrowa z prądnicą

synchroniczną, prostownikiem

i falownikiem

Rys. 8 Turbina wiatrowa z prądnicą syn-

chroniczną, prostownikiem, fa-

lownikiem i magazynem energii

Nazwa

Średnica wirnika

[m]

Moc

[KW]

Kraj

producenta

Rok

uruchomienia

NEWECS-45

45

1000

NL

1986

WINDANE-40

40

750

DK

1986

ELSAM-2000

61

2000

DK

1987

HWP-1000

55

1000

GB

1989

AWEC-60

60

1200

E

1989

WKA-60

60

1200

DK

1989

MONOPTE-ROS-50

56

640

DK

1989

GAMMA-60

60

1500

I

1989

Tab. 2 Europejskie elektrownie wiatrowe o mocach rzędu MW

Cecha

Nazwa

Kraj

Średnica

wirnika [m]

Moc

[kW]

oś ozioma

Największa

średnica wirnika

GROWIAN

Niemcy

100,4

3 000

MOD-2

USA

91,5

2 500

Największa moc

WTS-4

USA

78

4 000

WTS-3

Szwecja

78

3 000

oś pionowa

Jednopłatowe

SYLT

Niemcy

25

250

Bremerhaven (MONOPTEROS) Niemcy

48

370

Typ Darrieus

ALCOA

USA

25 + 37

500

WANT

Kanada

24 + 36

230

Tab. 1 Wybrane dane dotyczące elektrowni wiatrowych na świecie

background image

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 4 / 2 0 0 5

n a p ę d y i w y t w a r z a n i e e n e r g i i

76

nomicznie uzasadnione dla farmy wia-
trowej składającej się z kilku lub kilku-
nastu elektrowni wiatrowych. Jednak
i w tym przypadku koszty całej inwe-
stycji są bardzo wysokie. Z tego powo-
du w Zakładzie Elektrowni i Gospodar-
ki Elektroenergetycznej IEN Politech-
niki Warszawskiej podjęto prace ma-
jące na celu opracowanie układu elek-
trowni wiatrowej z zasobnikiem ener-
gii elektrycznej. Zarysowały się dwie
możliwości rozwiązania problemu: za-
stosowanie zasobnika krótkookreso-
wego (np. dobowego), w którym zosta-
nie użyta bateria chemiczna, lub budo-

wa układu hybrydowego, w którym bę-
dzie równolegle pracowała bateria che-
miczna z ogniwem paliwowym.

Szybkie zmiany produkowanej przez

turbinę energii będą kompensowane
z baterii chemicznej. Natomiast ogni-
wo paliwowe będzie dostarczać energię
wtedy, gdy generator wiatrowy nie pra-
cuje, np. z powodu braku wiatru. Naj-
lepsze w tym przypadku będzie ogni-
wo paliwowe typu SOFC.

Rysunki 13

i

14 przedstawiają dwa przypadki włą-

czenia zasobnika energii w układach
hybrydowych z turbiną wiatrową.

W pierwszym przypadku układ za-

sobnika kompensuje „niedobory” i „na-
dwyżki” energii wynikające ze zmia-
ny ilości energii dostarczanej z turbi-
ny wiatrowej. W przypadku drugim
układ zasobnika kompensuje „niedo-
bory” i „nadwyżki” energii w węźle sie-
ci energetycznej. W układzie przedsta-
wionym na

rysunku 13 zasobnik ener-

gii może być tak zaprojektowany, aby
kompensował tylko wartości energii
równe maksymalnej mocy znamiono-

wej elektrowni wiatrowej. W przypad-
ku drugim przy założeniu stałej war-
tości napięcia w węźle zasobnik musi
kompensować zarówno chwilowe
braki energii dostarczanej z elektrow-
ni wiatrowej, jak i też braki wynika-
jące z załączonych do węzła odbiorni-
ków energii elektrycznej. Z tego powo-
du energoelektroniczne układy prze-
twarzania będące integralną częścią
zasobnika energii muszą być znacznie
przewymiarowane mocowo niż ma to
miejsce przypadku pierwszym. Przy-
kładowy schemat układu przetwarza-
nia zasobnika energii przedstawia

ry-

sunek 15. Hybrydowa elektrownia wia-
trowa z zasobnikiem energii, w skład
którego wchodzi bateria chemiczna
i ogniwo paliwowe, jest obecnie bada-
na laboratoryjnie.

literatura

1. American Wind Energy Associa-

tion: Facts about wind energy &
birds.

2. D. Burza, Elektrownie wiatrowe

alternatywnym źródłem ener-
gii dla małych i średnich przed-
siębiorstw, Zarządzanie małym
i średnim przedsiębiorstwem
w Polsce i w krajach Unii Euro-
pejskiej, red. naukowa Anna Ba-
zan-Bulanda, Piotr Bartkowiak,
Częstochowa 2003.

3. A. Dmowski, Biczel, B. Kras,

Aspekty techniczno-ekonomicz-
ne wykorzystania wybranych od-
nawialnych źródeł energii w ener-
getyce. Ekologiczne Aspekty Wy-

Rys. 13 Schemat blokowy układu hybrydowej elektrowni wiatrowej z prądnicą syn-

chroniczną i zasobnikiem energii, w skład którego wchodzi bateria chemicz-

na i ogniwo paliwowe

Rys. 14 Schemat blokowy układu hybrydowej elektrowni wiatrowej z maszyną

asynchroniczną i zasobnikiem energii, w skład którego wchodzi bateria che-

miczna i ogniwo paliwowe.

Rys. 15 Schemat układu przetwarzania zasobnika energii

Rys. 12 Elektrownia wiatrowa z ma-

gazynem wodorowym

twarzania Energii Elektrycznej,
Warszawa, 14-16.11.2001.

4. G. Hellmann G, Über die Bewe-

gung der Luft in den untersten
Schichten der Atmosphäre. Met.
Z., Bd.32, Nr 1, 1915.

5. Katalog „Elektrownia wiatrowa

typu SEEWIND 25 / 132” firmy
ESV Sp. z o.o.

6. W. Lewandowski, Proekologicz-

ne źródła energii odnawialnej,
WNT, Warszawa 2002.

7. K. Marcinek, Finansowa ocena

przedsięwzięć inwestycyjnych
przedsiębiorstw, Akademia Eko-
nomiczna w Katowicach, Katowi-
ce 1998.

8. J. Paska, A. Staniszewski, Podsta-

wy elektroenergetyki: metody wy-
twarzania energii elektrycznej.
Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 1994.

9. E. Ratajczak, Opłacalność budowy

farm elektrowni wiatrowych du-
żej mocy dla wybranych lokaliza-
cji na północy polski, AP ’01, Ak-
tualne Problemy w Elektroenerge-
tyce, Jurata, 6-8 czerwca 2001.

10. A. Siwek, W. Orlewski, Problemy in-

stalowania elektrowni wiatrowych
oraz oddziaływanie ich na środo-
wisko, Ogólnopolskie Forum Od-
nawialnych Żródeł Energii 2004.

11. H.L. Wegley, A Siting Handbook

for Small Energy Conversion Sys-
tems. US Dept. of Energy, 1980.

12. www.elektrownie.lh.pl.
13. http://el-wiatrowe.republika.pl/

riso.html.

14. www.elektrownie-wiatrowe.org.pl.


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
ei 2005 04 s025
ei 2005 04 s060 id 154155 Nieznany
ei 2005 04 s085
ei 2005 04 s043
ei 2005 04 s080
ei 2005 04 s064
ei 2005 04 s081
ei 2005 04 s024
ei 2005 04 s084 id 154156 Nieznany
ei 2005 04 s034
ei 2005 04 s073
ei 2005 04 s009
ei 2005 03 s074
ei 2005 04 s037
ei 2005 04 s052
ei 2005 04 s051
ei 2005 04 s086 id 154157 Nieznany
ei 2005 04 s044
ei 2005 04 s056

więcej podobnych podstron