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)
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
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.