1

Energetyka rozproszona i
odnawialne źródła energii
- energia wiatru

dr inż. Szczepan Moskwa

Mapa wiatrów

warunki wybitnie korzystne
warunki bardzo korzystne
warunki korzystne
warunki mało korzystne
warunki niekorzystne

Lokalizacja elektrowni wiatrowych na

terenie Polski

Moc zainstalowana elektrowni wiatrowych

w wybranych państwach europejskich

[MW], 2002

Uproszczony schemat budowy

typowej elektrowni wiatrowej

Rodzaje turbin wiatrowych

2

Klasyfikacja turbin wiatrowych

• Podstawowym kryterium podziału elektrowni wiatrowych jest

położenie osi obrotu wirnika, zgodnie z którym rozróżniamy dwa

rodzaje elektrowni:

– z pozioma osia obrotu –HAWT (ang.Horizontal Axis Wind

Turbines); najpopularniejsze – ponad 95% stosowanych rozwiazan;

– z pionowa osia obrotu – VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines)

• Ze względu na sposób wykorzystania produkowanej energii –

wyróżnia sie na przykład siłownie energetyczne i siłownie

pompowe;

• Ze względu na liczbę płatów wirnika – elektrownie jedno-, dwu-,

trzy-, cztero- i wielopłatowe;

• Ze względu na usytuowanie wirnika względem kierunku wiatru i

masztu (w elektrowniach typu HAWT): dowietrzne (ang. up-

wind) oraz odwietrzne (ang. down-wind);

• Ze względu na szybkobieżność – elektrownie wolnobieżne,

średniobieżne i szybkobieżne.

Zalety i wady elektrowni wiatrowych

• Z poziomą osią obrotu:
+ duży zakres mocy
+ duży wybór urządzeń
- dość głośne

• Z pionową osią obrotu:
+ ciche
+ dość lekkie
- stosunkowo mały wybór

urządzeń i zakres mocy

Zasada działania

turbiny wiatrowej

Energia wiatru

Moc wiatru (moc strumienia powietrza):

2

3

v

S

P

w











- gęstość powietrza

S - pole koła omiatanego przez łopaty silnika wiatrowego
v - prędkość powietrza przed wirnikiem



 



0

2

0

4

v

v

v

v

S

P

t















v

0

- prędkość wiatru za wirnikiem

Moc teoretyczna silnika wiatrowego

Energia wiatru

a

t

a

P

P









a

- sprawność aerodynamiczna silnika wiatrowego. Uwzględnia

straty wskutek tarcia powietrza o łopaty, wyrównywania się
ciśnień po obu stronach łopat i inne.



a

= 0,5



0,8

Moc aerodynamiczna -

moc przejęta przez łopaty

silnika wiatrowego i przekazana na wał silnika.

Moc użyteczna - moc przekazywana przez silnik
wiatrowy odbiornikowi.

sw

t

m

a

s

t

m

a

u

P

P

P

P





























m

- sprawność mechaniczna



s

- sprawność strumieniowa











 













 







v

v

v

v

P

P

w

t

s

0

2

0

1

1

2

1





sw

- sprawność użyteczna (ogólna)

m

a

s

sw















Energia wiatru

3

Energia wiatru

Moc silnika wiatrowego

2

2

1

1

3

2

1

1

1

4

3

2

2

0

0

2

0

v

R

R

r

z

R

r

z

R

r

e

e

P

n

n









































































































e - współczynnik wykorzystania wiatru (e = 0,3



0,4)

R - promień wirnika
r

0

- promień piasty wirnika



- doskonałość profilu, stosunek składowej siły aerodynamicznej równoległej

do prędkości wiatru do składowej prostopadłej
z

n

- wyróżnik szybkobieżności,



- prędkość kątowa wału wirnika

v - prędkość wiatru



- gęstość powietrza

v

R

z

n

/







Energia wiatru

Zależność prędkości wiatru od wysokości nad
ziemią h:

14

,

0

















d

d

h

h

h

v

v

v

d

- prędkość wiatru na wysokości d nad ziemią

Przykładowe charakterystyki silnika

wiatrowego

Enwia E40

- przykładowa siłownia wiatrowa

Moc maksymalna

40 kW

Liczba łopat

3

Średnica wirnika

11,6 m

System nastawy do wiatru

automatyczny

Prędkość rozruchowa

3,5 m/s

Prędkość nominalna

14 m/s

Prędkość maksymalna

20 m/s i automatyczne wyłączenie

Rodzaj energii

3-fazowy prąd przemienny Umax=400 V

Prądnica

asynchroniczna szybkoobrotowa

Masa gondola

ok. 1300 kg

Konstrukcja nośna

maszt rurowy lub stożkowy wielokątny

Usytuowanie elektrowni

– warunki lokalne

• Wirnik i łopaty powinny znajdować się w strefie laminarnych

(niezaburzonych) strug wiatru

• Ponieważ za przeszkodami powstają zawirowania, wiatraki lepiej

umieszczać przed przeszkodami

Schemat instalacji przydomowej

elektrowni wiatrowej

4

Koszty budowy małej elektrowni

wiatrowej

• 100 W ok. 150 euro
• 500 W ok. 750 euro
• 2-3 kW ponad 2 500 euro
• 15 kW ok. 15 850 euro

• Im mniejsza moc elektrowni, tym zwykle

dłuższy czas zwrotu poniesionych kosztów.

* Ceny netto (2006)

Eksploatacja elektrowni wiatrowych

• Spodziewany uzysk energii – 10-20% iloczynu mocy

nominalnej instalowanej turbiny oraz liczby godzin w

roku (wartość szacunkowa uwzględniająca okresy

bezwietrzne i pracy nominalnej elektrowni)

• Przewidywany okres eksploatacji – ok.25 lat

Ograniczenia

• Elektrownie wiatrowe stanowią źródło hałasu – obiekty

tego typu należy lokalizować tak, by nie naruszały

dopuszczalnych poziomów hałasu (najcichsze są

elektrownie o pionowej osi obrotu)

• Elektrownie przydomowe z reguły spełniają wymogi

wynikające z ochrony przed hałasem już w odległości 20-

100 m od budynków mieszkalnych

• Duże elektrownie wiatrowe mogą wymagać oddalenia

nawet o 500-800 m.

Perspektywy

Planowany przebieg przyłączy farm

morskich i linii przesyłowych do Szwecji -

wizja do 2030 r.

System Polskich Sieci Morskich

®

- wizja do 2050 r.

5

Wizja EWEA sieci morskich w Europie

Etapy rozwoju Projektu PSM i koszty

przygotowawcze

• Etap 1 – Wykonanie „Założeń koncepcyjnych

systemu energetycznego farm morskich w Polskich

Obszarach Morskich – Polskie Sieci Morskie”

(VI – XI, 2009)

• Etap 2 – Konsultacje w zakresie przydatności PSM

dla realizacji polityki energetycznej Państwa,

uzyskanie wsparcia Rządu RP dla realizacji PSM.

(XI, 2009 / I, 2010)

Etapy rozwoju Projektu PSM i koszty

przygotowawcze

• Etap 3 – Wprowadzenie „Projektu PSM” w zakres

współpracy z Polskimi Sieciami

Elektroenergetycznymi, wprowadzenie PSM jako

dodatkowego scenariusza do Planu Rozwoju KSE,

Narodowego Programu Rozwoju Morskiej

Energetyki Wiatrowej, nowego programu

Narodowego Centrum Badań i Rozwoju oraz

Narodowego Planu Działań (okres programowania

2014-2020)

(I - III, 2010)

Etapy rozwoju Projektu PSM i koszty

przygotowawcze

• Etap 4 – Prowadzenie wielowariantowych prac

badawczo-rozwojowych Projektu PSM w zakresie

spraw formalno-prawnych systemu

elektroenergetycznego na morzu, spraw

legislacyjnych oraz badań i obliczeń podstawowych

możliwości i sposobu współpracy systemu PSM z

KSE i sieciami europejskimi wraz z opracowaniem

studium wykonalności z oszacowaniem kosztów i

perspektywy czasowej realizacji Projektu,

opracowanie projektu finansowania i realizacji.

(IV, 2010 – IV, 2013)

Etapy rozwoju Projektu PSM i koszty

przygotowawcze

• Etap 5 – Przygotowanie i złożenie wniosku o

wydanie decyzji na układanie kabli podmorskich na

polskich obszarach morskich (pierwsze elementy

Sieci PSM) – jako element projektów przyłączanych

farm wiatrowych oraz przeprowadzenie procedury

oceny oddziaływania na środowisko i uzyskanie

decyzji o środowiskowych uwarunkowaniach

realizacji inwestycji

(I, 2012 – IX, 2013)

• Etap 6 – Rozpoczęcie realizacji pierwszych

elementów Projektu PSM (badania morza,

projektowanie i realizacja pierwszych elementów

sieci PSM)

(2013 – 2017)

Zakładane efekty realizacji PSM

• Pozwoli na realizację w latach 2010-2030 co

najmniej kilkunastu projektów morskich farm

wiatrowych na polskich obszarach morskich o

łącznej mocy od 1,5 do 7,5 GW

• Pozwoli na wykorzystanie morskich elementów sieci

do rozwoju połączeń transbałtyckich sieci

elektroenergetycznej (połączenie z Europą)

• Pozwoli na spełnienie wymaganych prawem Unii

Europejskiej wskaźników produkcji energii ze źródeł

odnawialnych

• Zwiększy konkurencyjność północnej Polski z

punktu widzenia dostępności energii elektrycznej,

przy jednoczesnym zwiększeniu udziału energii

zielonej w całkowitej produkcji energii

6

Zakładane efekty realizacji PSM

• Będzie miała prorozwojowy charakter i przy

zastosowaniu systemu odpowiednich zachęt pozwoli

na rozwinięcie w Regionie Wybrzeża silnego

przemysłu morskiej energetyki wiatrowej

• Pozwoli na zwiększenie bezpieczeństwa

energetycznego kraju poprzez zmniejszenie

zależności od paliw kopalnych

• Pozwoli na absorpcję przez Polskę środków

pomocowych na rozwój infrastruktury sieciowej na

obszarach morskich Morza Bałtyckiego

Wiatraki na słupach energetycznych

Źródło:

http://inhabitat.com/

(2009)

Projekt przykładowy

Projekt zasilania budynku mieszkalnego

za pomocą elektrowni wiatrowej

• Zasilany obiekt:

– powierzchnia – 300m2
– zapotrzebowanie na energię elektryczną – 2600kWh/rok
– moc przyłącza – 14kW
– moc zainstalowanych odbiorników ok. 10kW

• Planowane zastosowanie zasilania z elektrowni

wiatrowej obejmuje:

– zasilanie oświetlenia
– zasilanie odbiorników RTV AGD
– zasilanie pomp c.o., c.w.u.
– zasilanie awaryjne

Elektrownia wiatrowa

•

Podzespoły:



Generator firmy KOMEL typu PMzg132M-8B



Przetwornice:

•

CAR-TRA 36 12VDC/230VAC 2500W

•

CAR-TRA 33 12VDC/230VAC 300W



Akumulatory firmy BAREN 100Ah 12V



Sterownik ZATRZASK

Parametry konstrukcyjne elektrowni

wiatrowej

•

Średnica wirnika – 6,4m

•

Długość gondoli – 4m

•

Wysokość masztu – 6m

•

Konstrukcja wolnostojąca

•

Przekładnia 1:20

•

Brak dodatkowych zabezpieczeń przed wiatrem

Zakłada się średnią

prędkość wiatru 3m/s

7

Schemat ideowo-montażowy sterowania

elektrowni wiatrowej

Trasa linii kablowej

• Od elektrowni do szafy rozdzielczej zaprojektowano kabel

2xYAKY 1x25mm2

Analiza ekonomiczna

• Założenia:



Wielkość generacji – 2600kWh/rok



Okres eksploatacji bez dodatkowych inwestycji – 10lat



Aktualna cena 1kWh (z opłatami przesyłowymi) – 0,523

zł/kW



Niezmienność cen energii przez 10 lat



Elektrownia budowana od podstaw przez inwestora



Energia wytworzona nie jest wprowadzana do sieci

energetycznej

Podsumowanie kosztów inwestycji

Analiza ekonomiczna – zwrot kosztów

• Oszczędności wynikające z funkcjonowania elektrowni

wiatrowej – 100 zł/miesiąc

100zł x 12 miesięcy = 1200zł/rok
1200zł x 9lat = 10800zł

Przy przyjętych założeniach obliczono, że całkowity zwrot

kosztów inwestycji nastąpi po 9 latach!!