Dr inż. Adam Mroziński
 Budowa Środowiskowych
Procesorów Energii
Energia Wiatru
Katedra Maszyn Specjalnych i Ochrony Środowiska
WYDZIAA
MECHANICZNY
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy
Energia wiatru DEFINICJA
Wiatr
Energia wiatru to przekształcona forma
energii słonecznej. Wiatr jest wywołany przez
różnicę w nagrzewaniu lądu i mórz, biegunów i
równika, czyli przez różnicę ciśnień między
różnymi strefami cieplnymi. Ocenia się, że około
1-2% energii słonecznej dochodzącej do Ziemi
ulega przemianie na energię kinetyczną wiatru,
stanowi to 2700 TW. 25% tej energii przypada na
stumetrową grubość warstwy powietrza
atmosferycznego otaczającego bezpośrednią
powierzchnię Ziemi.
Jeśli uwzględni się różne rodzaje strat, oraz
możliwości rozmieszczenia instalacji wiatrowych,
mają one potencjał energetyczny o mocy 40 TW.
Aspekty ekologiczne wykorzystania
energii wiatru
Na aspekty ekologiczne trzeba patrzeć
globalnie, gdyż zanieczyszczenia atmosfery
nie uznają żadnych granic. Dla przykładu
emisje uniknięte poprzez wykorzystanie
energii wiatru do produkcji 1TWhenergii
elektrycznej to około:
5 500 ton SO2
4 222 tonNOx
700 000 ton CO2
49 000 ton pyłów i żużlu
Ceny jednostkowe energii pochodzącej z różnych z
ródeł; a) wedługEuropean
Commission Directorate-General for Energy; WindEnergy- The Facts; założony
czas życia wszystkich elektrowni - 20 lat, prędkości wiatru 5-10 m/s; b) według
AWEA; WindEnergy Fact Sheet - Comparative Cost Of WindAnd Other Energy
Sources.
Przy omawianiu zalet energii
elektrycznej uzyskiwanej z wiatru należy
pamiętać o najważniejszej zalecie, o
niewyczerpalności tego z
ródła.
Krótka historia wiatraka i elektrowni wiatrowej
Wiatr jako nośnik energii wykorzystywano już w starożytności.
Około 1800 lat temu w krajach śródziemnomorskich i w Chinach
pojawiły się pierwsze silniki wiatrowe. W Babilonii wykorzystywano
je do osuszania mokradeł, a w innych krajach do nawadniania pól
(napęd pomp wodnych w systemach irygacyjnych). W VIII wieku w
Europie pojawiły się duże wiatraki 4-skrzydłowe, w których budowie
wyspecjalizowali się Holendrzy. We wczesnym średniowieczu silnik
wiatrowy znalazł zastosowanie w młynach prochowych.
Jednocześnie w niektórych krajach na terenach polderowych
stosowano wiatraki przepompowujące wodę w celu osuszenia terenu
uprawy. Największą rolę energia wiatru odgrywała w XVI wieku, a
w 1850 roku, ogólna moc młynów napędzanych wiatrem wynosiła 1
TW. W końcu XIX wieku siłownie wiatrowe przestały już być
doskonalone, a jednocześnie w Danii funkcjonowało ponad 30 000
takich młynów i mniej więcej tyle samo wiatraków było w Holandii i
w innych krajach.
Krótka historia wiatraka i elektrowni wiatrowej cd
Do 1940 roku Dania miała ponad 1300 działających generatorów
wiatrowych. Do 1940 roku w USA zbudowano około 6 milionów
takich generatorów. Turbiny wiatrowe były dla mieszkańców wsi w
ówczesnych czasach jedynym dostępnym z
ródłem elektryczności. W
1960 roku na świecie wykorzystywano ponad 1 milion siłowni
wiatrowych. Ponowny wzrost zainteresowania szerszym
wykorzystaniem energii wiatru (do celów energetycznych) nastąpił
po kryzysie energetycznym w 1973 roku.
Stare konstrukcje wiatraków w Polsce
Paltrak z Rudy - Wiatrak typu paltrak, postawiony w 1934 roku. Konstrukcja
budynkusłupowo-szkieletowa oszalowana deskami. Dach trójspadowy, kryty
dranicami. Wiatrak z Rudy jest rozbudowanym młynkiem żarnowym, napędzanym
siłą wiatru. Sześć śmig deskowych, osadzonych w poziomym wale, porusza
mechanizmmielniczy. Śmigi wraz z całym budynkiem ustawiane są do wiatru przy
pomocy dwóch dyszli. Czworoboczne przyciesie wiatraka obracają się ślizgowo na
takich samych, ale nieruchomych, osadzonych na dębowych słupach przyciesiach
podstawy.
Koz
lak z Trzęsówki - Wiatrak typu
koz
lak, wzniesiony około 1910 roku
w Dąbrówce, w 1919 roku
przeniesiony do Hadykówki, a
stamtąd w 1933 roku do Trzęsówki.
Budynek drewniany,
dwukondygnacyjny o konstrukcji
słupowo- szkieletowej, oszalowany
deskami. Dach dwuspadowy, kryty
gontem, z naczółkiem od strony
śmig. Wiatrak wyposażony w
kompletne urządzenia mielnicze.
Korpus wiatraka ze śmigami
osadzony na tzw. koz
le, drewnianej,
statycznej konstrukcji wspartej na
głazach narzutowych. Do wiatru
obracany przy pomocy dyszli.
Wiatrak - koz
lak postawiony w końcu XIX wieku w Woli
Domatkowskiej, w 1920 roku przeniesiony do Zarębek. Budynek
drewniany, o konstrukcji słupowo - szkieletowej, oszalowany
deskami. Wnętrze jednoprzestrzenne, dwupoziomowe. Dach
dwuspadowy, kryty gontem, z naczółkiem od strony śmig.
Osadzony na drewnianej, statycznej konstrukcji, wspartej na
głazach narzutow ych, tzw. koz
le. Do wiatru obracany cały
budynek ze śmigami. Wewnątrz zachowane kompletne urządzenia
mielnicze. Właścicielami wiatraka była rodzina Wilków, która
użytkowała go do lat sześćdziesiątych XX wieku.
Pierwsze elektrownie wiatrowe: a) pierwsza siłownia wiatrowa produkująca
energię elektryczną zbudowana przez Charles'a F. Brush'a b) elektrownie
wiatrowe la Cour'a. Prąd przez nie wytwarzany służył do produkcji wodoru
Pierwsza elektrownia wiatrowa zbudowana według współczesnych
założeń konstrukcyjnych
Energia wiatru ROZWÓJ
Rozwój konstrukcji i mocy elektrowni wiatrowych w okresie 1985r.  2003r.
W dniu 1 lutego 2006 r. European Wind Energy Association
opublikowało dane statystyczne na temat europejskiego rynku
energetyki wiatrowej w 2005 roku. Statystyki branży pokazują, iż
w minionym roku oddano do użytku rekordową ilość 6,183 MW, a
tym samym łączna moc zainstalowana w elektrowniach
wiatrowych wzrosła o 18%, do 40,504 MW na koniec roku 2005.
Największych pięć rynków roku 2005 w Europie to Niemcy (1,808
MW), Hiszpania (1,764 MW), Portugalia (500 MW), Włochy (452
MW) i Wielka Brytania (446 MW). W dwóch krajach moc
zainstalowana przekracza 10GW (Niemcy 18,428 MW oraz
Hiszpania 10,027 MW); w siedmiu przekracza 1GW (Dania 3,122
MW, Włochy 1,717 MW, Wielka Brytania 1,353 MW, Holandia
1,219 MW oraz Portugalia 1,022 MW).
Na świecie produkuje się z wiatraków prawie 14000 MW energii, z
czego 10000 MW wytwarzana jest w Europie. Najwięcej, bo prawie
5000 MW produkują Niemcy. Drugie miejsce zajmuje Dania (ponad
1700 MW). Natomiast Polska wytwarza bardzo mało energii
wiatrowej - ok. 7 MW.
Niedawno opracowano projekt dotyczący stawiania wiatraków nie
tylko na lądzie, ale także na morzu. Powstał on finansowany przez
komisję Europejską. Przewodnictwo objął nad nim uniwersytet w
Delft w Holandii. planuje się zainstalować tysiące megawatówmoacy
na wodach przybrzeżnych, m. in. na południowym wybrzeżu Bałtyku,
obok polskich wybrzeży.
Powstanie farm wiatrowych może stać się miejscem pracy dal wielu
ludzi - przykładem są Niemcy - w energetyce wiatrowej
zatrudnionych jest tam ponad 100 tys. ludzi.
Energia wiatru
Siłownie: BUDOWA i podział
Siłownie wiatrowe o osi obrotu poziomej posiadają za sobą
długą historię. Jest to układ nazywany klasycznym składający się z wirnika
o różnej ilości łopat (zależnej od rodzaju projektu) osadzonego na wale
głównym. Wał główny przekazuje napęd do przekładni zębatej, a ta do
generatora (w przypadku elektrowni) lub innego urządzenia zasilanego
energią mechaniczną np. pompa wodna. Cały zespół wału głównego
przekładnia oraz generator są połączone razem i stanowią zwarty zespół
napędowy umieszczony w gondoli na poduszkach wibroizolacyjnych.
Gondola jest samonośną konstrukcją wsporczą dla zespołu napędowego.
Gondola jest osadzona najczęściej na teflonowym łożysku wieńcowym,
umożliwiającym jej obrót wokół wieży przy pomocy elektronicznych
serwomechanizmów.
Wybrane rodzaje rozwiązania przekazania ruchu obrotowego
z wirnika do generatora
Wirnik może znajdować się po stronie nawietrzne, jak i zawietrznej. Obydwa
rozwiązania są stosowane w zależności od potrzeb. Pierwsze rozwiązanie stosuje
się przy większych konstrukcjach, gdzie zastosowano układ elektronicznego
naprowadzania na kierunek wiatru lub ster aerodynamiczny, wtedy wirnik
pracuje przy równomiernym obciążeniu. Drugie rozwiązanie raczej stosuje się
przy małych siłowniach, gdzie nie ma systemu naprowadzania na kierunek wiatru
(elektronicznego czy też aerodynamicznego), jego wadą jest powstawanie pola
silnych turbulencji tuż za wieżą co powoduje niekorzystne zjawiska wpływające na
łopatki wirnika.
Turbina
Turbina
wiatrowa o osi
wiatrowa o osi
poziomej z
poziomej z
wirnikiem
wirnikiem
umieszczonym
umieszczonym
po stronie
po stronie
zawietrznej
nawietrznej
Uproszczony schemat budowy typowej siłowni wiatrowej
dla energetyki zawodowej
1 - skrzydło wirnika, 2 - łopata skrzydła, 3 - konstrukcja nośna (gondola), 4 - podpora wirnika
(łożysko), 5 - wał napędowy I, 6 - skrzynia przekładniowa (3 - stopniowa), 7 - tarcza hamulca, 8 - wał
napędowy II, 9 - prądnica, 10 - chłodnica systemu chłodzenia prądnicy i skrzyni przekładniowej, 11 -
elementy pomiarowe systemu pomiaru wiatru (anemometr, chorągiewka pomiarowa), 12 - układ
sterowania, 13 - układ hydrauliczny (utrzymanie i kontrola ciśnienia w układzie hamulcowym), 14 -
układ naprowadzania na wiatr, 15 - łożysko nośne gondoli, 16 - pokrywa gondoli, 17 - wieża typu
tubulama.
1 - układ orientacji na wiatr, 2 - silnik układu orientacji na wiatr, 3 - stojan
generatora, 4 - wirnik generatora, 5 - układ zmiany kąta nastawienia skrzydła,
6 - silnik układu nastawiania skrzydła, 7 - nieruchomy wał główny, 8 -
mocowanie skrzydła do piasty, 9 - stopa skrzydła
Schemat systemu hybrydowego (wiatr +fotowoltaika)
Moc z wirnika jest przekazywana do generatora za pomocą wału
wolnoobrotowego (głównego), skrzyni biegów i wału szybkoobrotowego.
Pominięcie tego układu przy tradycyjnym generatorze dwu, cztero lub
sześciobiegunowym nie wchodzi w grę, gdyż prędkość wirnika musiałaby wtedy
wynosić 1000 - 3000 obr/min (średnio prędkość ta wynosi 22 obr/min ).
A
opaty wirnika - Instalacja odgromowa instalowana standardowo w łopatach
duńskiej firmy LM Glasfiber A/S (światowy lider w produkcji łopat dla
elektrowni wiatrowych).
A
opaty wirnika - Instalacja odgromowa instalowana standardowo w łopatach
duńskiej firmy LM Glasfiber A/S (światowy lider w produkcji łopat dla
elektrowni wiatrowych).
Powstawanie siły nośnej. Powietrze opływające górną część skrzydła ma
większą drogę do pokonania, a więc porusza się szybciej, dzięki czemu
ciśnienie jest mniejsze niż na dolnej części skrzydła
Regulacja przez ustawienia
kąta łopat (kąta natarcia).
W momencie kiedy rośnie
prędkość wiatru, aby
utrzymać stałą siłę nośną
następuje zmniejszenie kąta
natarcia.
Regulacja przez ustawienia kąta łopat (pitch controlled)
W elektrowniach z regulacją typu "pitch", elektroniczny kontroler turbiny
sprawdza moc wyjściową kilka razy na sekundę. Kiedy staje się ona zbyt
wysoka, wysyła sygnał do mechanizmu ustawienia kąta łopat, który
natychmiast koryguje ich kąt aby zmniejszyć moment napędowy wirnika.
Kiedy wiatr słabnie ma miejsce sytuacja dokładnie odwrotna. A
opaty wirnika
muszą zatem posiadać możliwość obrotu wokół własnej osi (regulacji kąta
natarcia).
Regulacja przez zmianę kierunku (Yaw Control)
Regulacja ta polega na obrocie gondoli i tym samym osi obrotu wirnika
elektrowni względem kierunku napływającego wiatru. Może ona być
zrealizowana w sposób aktywny lub pasywny. Kierunkowanie pasywne jest
zapewnione przez umieszczenie chorągiewki kierunkowej na gondoli. Daje to
efekt w postaci ustawienia wirnika na wprost kierunku wiatru. Rozwiązanie
takie stosowane jest tylko w niewielkich urządzeniach pracujących dla małych
odbiorców. W dużych instalacjach, o mocach kilkudziesięciu kilowatów do
kilku megawatów, wymagane jest stosowanie aktywnej regulacji kierunku
ustawienia. Na szczycie wieży znajduje się zębaty pierścień, który połączony
jest z kołem zębatym osadzonym na wale silnika kierunkowego.
Ważnym czynnikiem silników wiatrowych jest wyróżnik
szybkobieżności czyli stosunek prędkości obwodowej
elementu obracającego się silnika do prędkości wiatru.
W zależności od wyróżnika szybkobieżności silniki
wiatrowe można podzielić na:
" wolnobieżne,
" średniobieżne,
" szybkobieżne.
Silniki wolnobieżne charakteryzują się dużym
momentem obrotowym przy niskich obrotach przy
rozruchu, natomiast szybkobieżne mają w całym
zakresie obrotów niższy moment obrotowy w stosunku
do wolnobieżnych, ale za to osiagają dużo wyższe
obroty.
Turbiny wiatrowe o osi poziomej obrotu - układ klasyczny (HAWT  Horizontal
Axis Wind Turbines). Można tak nazwać układ turbiny, która posiada
tradycyjne "śmigło" o ilości łopat zależnej od wizji projektanta. Układy te są
zwykle trójłopatowe, choć spotyka się nawet 2 i 1 łopatowe wirniki. W
przypadku gdy chcemy aby wirnik posiadał duży moment startowy należy
zwiększyć ilość łopat.
O poziomej osi obrotu HAWT  Horizontal Axis Wind Turbine
Spotyka się wiele
rozwiązań wiatraków
typu HAWT
Najczęstszy i
najbardziej widoczny
podział to ilość
płatów...
Inne konstrukcje siłowni
wiatrowych
Siłownie wiatrowe o pionowej osi obrotu rozwijały
się znacznie wolniej w porównaniu z siłowniami o poziomej osi
obrotu. Jednym z prekursorów ich rozwoju był francuz Darrieus
w 1931 roku. Opatentował on wirnik, który jest obecnie
nazywany od jego nazwiska. Mimo prostej budowy i braku
potrzeby stosowania układu naprowadzania na kierunek wiatru
wirnik tego typu nie znalazły bardzo dużego zastosowania. Jedną
z przyczyn była wada siłowni polegająca na tym, że mają one
prawie zerowy moment rozruchowy i potrzebują do rozruchu
jakiegoś zewnętrznego napędu. Obecnie siłownie z wirnikiem
Darrieusa mają w wyposażeniu silniki elektryczne, które
pomagają przy rozruchu.
Wirnik Darrieusa - Przykład konstrukcji łączonej, główny wirnik typu
Darrieusa, natomiast pomocniczy Savoniusa.
Innym typem wirnika o pionowej osi obrotu jest wirnik konstruktora Darrieusa o
nazwie H-Darrieus. Konstrukcja ta odznacza się jeszcze prostszą konstrukcją, gdyż
łopaty wirnika są proste i umieszczone pionowo.Wirniki tego typu osiągnęły dość
pokaz
ne rozmiary osiągając nawet 300kW mocy przy wymiarach (licząc powierzchnię
omiataną w płaszczyz
nie pionowej) zbliżonej do turbin tradycyjnych (o poziomej osi
obrotu), z czego wynika stosunkowo wysoka sprawność tego typu wiatraków.
Kolejnym typem wirnika siłowni wiatrowych o pionwej osi obrotu jest wirnik
Savoniusa. Wirnik tego typu został opisany przez S.J.Savoniusa ok. 1920 roku.
Wirnik ten nie może konkurować jeśli chodzi o sprawność z typowymi wiatrakami o
poziomej osi obrotu lub z wirnikiem Darriusa lecz przewagą jego jest prostota
konstrukcji. Istotą działania jest wykorzystanie przede wszystkim siły parcia wiatru,
lecz także (choć w niewielkim stopniu) siły nośnej. Ze względu na stosunkowo duży
moment startowy wirniki tego typu zwykle wykorzystywane są do napędzania pomp
wodnych. Istnieje wiele konstrukcji typowo amatorskich budowanych ze stalowych
beczek lub blachy falistej.
Wirniki typu Savoniusa cechuje prostota konstrukcji, duży
moment startowy umożliwiający pracę przy bardzo słabych wiatrach.
Przy odpowiednim wykonaniu możliwość przetrwania wiatrów do ok.60
m/s, praktycznie bezgłośna praca samego wirnika. Do wad można zaliczyć
niską sprawność, a co za tym idzie duże wymiary dla uzyskania
określonej mocy.
Turbiny "świderkowe" Savoniusa firmy WINDSIDE. Atutem
akcentowanym przez producenta jest zdolność do przetrwania silnych wiatrów,
oraz wykorzystanie siły wiatru nawet od 1,5 m/s ! Dodatkowo turbiny tego typu
nie generują prawie żadnych dz
więków (w odróżnieniu od np.tradycyjnych
wiatraków - gdzie końcówki łopat poruszają się z szybkością 250 km/h (dane dla
wirnika 22m przy 60 obr./min.). Siłownie tego typu już przy powierzchni , na
którą działa wiatr 2 m2 osiągają moc 50 W przy prędkości wiatru 6 m/s.
Całkowita masa takiej siłowni wiatrowej wynosi 200 kg. Napęd z wirnika
przenoszony jest bezpośrednio na prądnicę, nie stosuj się tutaj przekładni
zębatych. Dzięki temu siłownie te są stosunkowo lekkie i niedrogie. Zaleta ta
pozwala instalować je na już użytkowanych obiektach, budynkach, wieżach itp.
O pionowej osi obrotu  VAWT Vertical Axis Wind Turbines
Istnieją "wariacje" na temat tej turbiny np.
"świderkowe" turbiny fińskiej firmy
WINDSIDE.
Atutem akcentowanym przez
producenta jest
zdolność do przetrwania silnych
wiatrów, oraz
wykorzystanie siły wiatru nawet
od 1,5 m/s !!!
Dodatkowo turbiny tego typu nie generują
prawie żadnych dz
więków
(w odróżnieniu od
np.tradycyjnych wiatraków - gdzie końcówki
łopat poruszają się z szybkością 250 km/h
[dane dla wirnika 22m przy 60 obr./min.])
Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu wyposażone w dyfuzor. Zgodnie z
prawemBernouliego dotyczącym zachowania się ośrodka (np. gazu) w rurze
w której występują zmiany średnicy zmienia się również prędkość przepływu
gazu. W związku z tym jeśli tradycyjny wirnik zabudujemy w tunelu (a
dokładnie w jego przewężeniu) będzie on wirował w powietrzu
przepływającym szybciej niż wiatr poza tym tunelem. Dzięki temu da więcej
energii niż wirnik bez otunelowania.
Wiatraki wyposażone w dyfuzor - Diffuser AugmentedWind Turbine
W latach 70-tych w zakładachGrummana badano wirniki tego typu i
odkryto, że obecność szczeliny w dyfuzorze (w płaszczyz
nie tunelu)
powoduje wzrost sprawności takiego wirnika.
Zwężający się wlot powoduje wzrost prędkości przepływu przed wirnikiem, a
szczelina w dyfuzorze która znajduje się za wirnikiem powoduje dodatkowo
powstanie strefy podciśnienia powodując dodatkowo przyrost prędkości
przepływu powietrza przez wirnik.
Turbiny wiatrowe wykorzystujące
zjawisko Magnusa. Przykładem
takiego rozwiązania jest siłownia
wiatrowa ACOWIND A-63 firmy
ENECO, która zaprojektowana została
dla otrzymania wysokiego
współczynnika wykorzystania energii
wiatru. Główną cechą odróżniającą tę
turbinę wiatrową od klasycznych
turbin z łopatami profilowanymi jest
zastosowanie zamiast łopat -
obracających się wirników, w których
do obracania rotora elektrowni
wykorzystuje się zjawisko Magnusa.
Zjawisko Magnusa polega na
powstaniu siły bocznej na
obracającym się walcu lub bryle
kulistej, zanurzonych w strumieniu
gazu lub cieczy, gdy ma miejsce
względne przemieszczenie
obracającego się ciała w stosunku do
strumienia.
Energia wiatru
WADY I ZALETY
Plusy
" Energia wiatrowa jest czerpana z ruchu powietrza. Nie zanieczyszcza ona
powietrza jak elektrownie spalające paliwa kopalne, takie jak węgiel czy
gaz ziemny. Turbiny wiatrowe niczego nie emitują do atmosfery, dzięki
czemu nie powodują kwaśnych deszczy ani nie pogłębiają efektu
cieplarnianego. Jedna turbina wiatrowa o mocy 2MW pozwala
zaoszczędzić rocznie ponad 4000 ton emisji dwutlenku węgla (CO2) do
atmosfery.
" Wiatr jest ogólnie dostępnym z
ródłem energii - nie trzeba go znikąd
sprowadzać ani za niego płacić - jest tu na miejscu, niezależnie od kryzysów
gospodarczych i politycznych.
" Wiatr nigdy się nie zużyje, o ile nie zakładamy, że ziemia przestanie się
obracać lub słońce przestanie świecić.
" Energia wiatrowa jest jedną z najtańszych odnawialnych form
pozyskiwania energii elektrycznej w porównaniu z konwencjonalnymi
elektrowniami. Koszt produkcji energii elektrycznej z farm wiatrowych
zmalał w ciągu ostatnich 15 lat o ponad 50%.
" Turbiny wiatrowe można budować praktycznie wszędzie gdzie jest dobry
wiatr i zgoda mieszkańców.
Minusy
" Energia wiatrowa musi konkurować z energią konwencjonalną na poziomie
kosztów. Może się zdarzyć, iż inwestycja będzie się zwracać przez długie lata, ze
względu na słabszy niż oczekiwany wiatr.
" Wiatr jest kapryśny i nie zawsze wieje wtedy kiedy akurat go potrzebujemy. Nie
można go magazynować. Dodatkowo zbyt silny, sztormowy wiatr jest dla
elektrowni wiatrowych bezużyteczny - turbina przestaje działać ze względów
bezpieczeństwa.
" Wietrzne miejsca, idealne pod budowę farm wiatrowych znajdują się najczęściej
z dala od cywilizacji i odpowiednich linii energetycznych.
" Energetyka wiatrowa musi stawiać czoło innym, często bardziej zyskownym,
przedsięwzięciom niż produkcja energii elektrycznej.
" Mimo, że elektrownie wiatrowe są idealnie czystym i ekologicznym środkiem
pozyskiwania energii elektrycznej mają wielu zagorzałych przeciwników wśród
ekologów, ze względu na hałas generowany przez obracający się wirnik, walory
estetyczne czy jednostkowe przypadki śmiertelności ptactwa zderzającego się z
obracającym się wirnikiem. Większość z tych aspektów została już rozwiązana
technicznie, a producenci prześcigają się w innowacjach na tej płaszczyz
nie.
Przybliżona liczba zabitych ptaków w ciągu roku w
Holandii
Energia wiatru
ZASOBY
Średnie roczne prędkości wiatru w
A
ebie i Nowym Sączu na przestrzeni
33 lat
Energia wiatru w poszczególnych miesiącach roku (wykres powstał na podstawie
pomiarów na terenie Danii, ale jest wspólny dla klimatu umiarkowanego)
Typowa zmienność prędkości wiatru w ciągu doby
Rozkład gęstości mocy w funkcji wiatru oraz Roczna produkcja energii w
elektrowni wiatrowej w zależności od średniorocznej prędkości wiatru (elektrownia
GE WindEnergy 1.5s, 1500kW)
Ceny jednostkowe energii pochodzącej z różnych z
ródeł; a) wedługEuropean
Commission Directorate-General for Energy; WindEnergy- The Facts; założony
czas życia wszystkich elektrowni - 20 lat, prędkości wiatru 5-10 m/s; b) według
AWEA; WindEnergy Fact Sheet - Comparative Cost Of WindAnd Other Energy
Sources.
Porównanie cen energii ze z
ródeł tradycyjnych z ceną energii wiatrowej.
Rozpatrzono trzy przypadki dla różnych kosztów inwestycyjnych.
Ceny energii dla gospodarstw domowych w wybranych państwach U.E.
Ocena potencjalnych zasobów energii wiatru w Polsce
1. Powierzchnia Polski 312 683 km2
2. 60 % obszaru kraju spełnia minimalne warunki do
wykorzystania wiatru dla celów energetycznych (przy
założeniu v > 4 m/s (średnia roczna) na wysokości
30 m nad pow. gruntu, co
stanowi 188 000 km2
3. Zakładając, że jedna siłownia wiatrowa przypada
na powierzchnię 1 km2 na obszarze uprzywilejowanym
pod względem prędkości wiatru
uzyskujemy 188 000 siłowni
Ocena potencjalnych zasobów energii wiatru w Polsce
cd.
4. Średnia produkcja energii jednej siłowni
zlokalizowanej w obszarze uprzywilejowanym
wynosi: 1250 kWh/ m2 / rok
5. Średnia powierzchnia skrzydeł jednej siłowni
wynosi: 370 m2
6. Teoretyczna produkcja energii przez wykorzystanie
wiatru wynosi zatem 86 950GWh/ rok
Ocena potencjalnych zasobów energii wiatru w Polsce
7. Produkcja energii elektrycznej z zawodowych
elektrowni cieplnych w 1995 r. wg rocznika
statystycznegowynosiła 126 857 GWh
8. Teoretyczny udział produkcji energii wiatru
stanowiłbyw tym bilansie zapotrzebowania na energię
w Polsce 68,5 %
9. Zakładając, że 1/4 potencjalnych zasobów energii
wiatru jest rzeczywistą energią użyteczną
uzyskujemy 21 738GWh/ rok, które możne być
teoretycznie uwzględnione w bilansie energetycznym
kraju.
Energia wiatru
ELEMENTY INWESTYCJI
Szacowanie zasobów energii wiatru
Przykład dobowej zmienności prędkości wiatru na trzech
stacjach pomiarowych zlokalizowanych w terenie o
złożonej topografii. Odległości pomiędzy stacjami wynoszą
ok. 20 km.
Szacowanie zasobów energii wiatru
Przykładowa róża prędkości wiatru (a) oraz
częstości występowania określonych kierunków
wiatru (b) typowa dla terenu o złożonej topografii.
Szacowanie zasobów energii wiatru
Na przedstawionej obok róży (wykonanej na podstawie
pomiarów w północnej Polsce) możemy stwierdzić, że
przeważają tam wiatry z kierunku W (zachodni ) i WWS
(zachodni ku południowemu ) oraz NE (północno - wschodni).
i E (wschodni). Dodatkowo obszar zaciemniony obrazuje
niesioną przez wiatr energię.
Szacowanie zasobów energii wiatru
Przykładowe pionowe profile prędkości wiatru w
terenie o złożonej topografii w zestawieniu z
profilami logarytmicznymi (wyniki pomiarów z
terenu powiatu Suwalskiego)
Procentowa siła wiatru w odniesieniu do średniej 50
letniej na terenie Europy. Jak widać wiatr w przeciągu 1
roku ulega znacznym miesiecznym fluktuacjom. Dlatego
też tak ważne są pomiary trwająe minimum 1 rok, a
lepiej 2-4 lat przy dużych inwestycjach.
Podstawowymi elementami środowiskowymi, które
powinniśmy brać pod uwagę, mającymi wpływ na
produktywność elektrowni są wiatr i rodzaj terenu.
Element trzeci składający się na to jak skutecznie będzie
wykorzystany potencjał turbin to rozmieszczenie ich
względem siebie.
W dziedzinie energetyki wiatrowej każdy rodzaj terenu
określa się odpowiednią klasą szorstkości. Im bardziej
"gładki" teren, tym klasa szorstkości jest niższa, a co za tym
idzie jest on lepszy z punktu widzenia produktywności farmy.
Klasy szorstkości terenu
Ten etap projektu odbywa się za pomocą programu
WindPRO duńskiej firmy EMD. Na podstawie
wprowadzonej do WindPRO konfiguracji turbin, danych
dotyczących orografii, szorstkości i zabudowy terenu, a
także danych wiatrowych program kalkuluje średnią
prędkość wiatru na poziomie wirnika turbin, liczy ich
produktywność i wskazuje efektywność planowanej
farmy.
Pierwszą zasadą właściwego planowania jest zachowanie odpowiedniej
odległości turbin względem siebie. Według zaleceń producenta odległość
ta powinna wynosić od 5 do 8 średnic wirnika turbiny, tak więc w
przypadku elektrowni 2MW,V80 powinno to być 400-640m. Dystans
mniejszy niż 400m przyczyniłby się do wzajemnego pozbawiania się
energii przez turbiny.
Jeśli chodzi o ekspozycję farmy największą uwagę należy zwrócić na
dominujące kierunki wiatru w danym miejscu. Turbiny powinny być
wystawione na najczęściej i najsilniej wiejące wiatry. Poza tym muszą
stać w taki sposób, aby możliwie najmniej nawzajem się zasłaniały.
Elektrownie stojące w pierwszej linii względem dominujących kierunków
wiatru mają zawsze największą efektywność.
Te z pozoru proste zasady nierzadko całkowicie zmieniają kształt wstępnie
wyobrażanego konceptu, dlatego też, planowanie farmy powinno odbywać
się za pomocą takich narzędzi jak np. WindPRO, które biorąc pod uwagę
wszystkie wymagane aspekty, umożliwiają stworzenie realnego i
bezpiecznego projektu.
Podsumowując można jednoznacznie stwierdzić, że idealna farma o
maksymalnie wykorzystanej efektywności to rząd turbin, posadowionych
na dużym obszarze wodnym, oddalonych od siebie o ok. 600m,
wyeksponowanych w stronę głównych kierunków wiatru.
Energia wiatru
OBLICZANIE
Moc wyjściowa elektrowni wiatrowej zmienia się wraz ze zmianą prędkości
wiatru. Zależność tą obrazuje właśnie krzywa mocy. Jest to jedna z
podstawowych danych, na jakie powinniśmy zwrócić uwagę przy planowaniu
budowy elektrowni. Bardzo istotne jest, aby krzywa była jak najbardziej
stroma i osiągała max. przy jak najniższej prędkości wiatru. Nowoczesne
elektrownie po osiągnięciu maksimum(na rys. ok. 30mph) utrzymują stały,
wysoki poziom produkcji energii.