background image

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

background image

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

background image

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

background image

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.

background image

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

background image

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

background image

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!!