Elektrownie wiatrowe
Wiatr jest odnawialnym z
ródłem energii. Jest to ruch powietrza spowodowany różnicą
gęstości ogrzanych mas powietrza i ich przemieszczaniem ku górze. Powoduje to różnicę
ciśnień, a naturalna tendencja do ich wyrównywania powoduje powstawanie
wiatru.
Energia wiatrowa była najwcześniej, obok spalania drewna, eksploatowaną przez człowieka
energią odnawialną. Pierwsze wiatraki były wykorzystywane przez ludzi do mielenia ziarna,
oraz pompowania wody. Pierwszy opis użycia wiatraków do pompowania wody powstał
około 400 r. p.n.e. w Indiach. W Chinach oraz krajach basenu Morza Śródziemnego wiatraki
pojawiły się na początku naszej ery. Stosowano je głównie do przepompowywania wody
(nawadnianie i osuszanie pół) oraz mielenia zboża. W VIII wieku w całej Europie pojawiły
się wiatraki, w których wykorzystywano cztery skrzydła. Specjalistami w budowie tego typu
wiatraków byli Holendrzy. Pod koniec XIX wieku rozwój maszyny parowej spowodował
wyparcie napędu wiatrowego z wielu dziedzin życia gospodarczego.
Olbrzymią popularność wiatraki uzyskały w Holandii - w XIX wieku ich liczbę szacowano na
10 tys. Pełniły rolę młynów zbożowych, tartaków, oraz dawały napęd pompom
odwadniającym.
Światowe zasoby energii wiatru, które nadają się do wykorzystania z technicznego punktu
widzenia, to 53 tys. TWh/rok. Ta ilość energii jest 4 razy większa niż wynosiło globalne
zużycie energii elektrycznej w 1998 roku.
1
Budowa elektrowni wiatrowej
Uproszczony schemat budowy typowej siłowni wiatrowej
Elektrownia wiatrowa składa się z wirnika i gondoli umieszczonych na wieży. Najważniejszą
częścią elektrowni wiatrowej jest wirnik, w którym dokonuje się zamiana energii wiatru na
energię mechaniczną. Osadzony jest on na wale, poprzez który napędzany jest generator.
Wirnik obraca się najczęściej z prędkością 15-20 obr/min, natomiast typowy generator
asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min. W
związku z tym niezbędne jest użycie skrzyni przekładniowej, w której dokonuje się
zwiększenie prędkości obrotowej. Najczęściej spotyka się wirniki trójpłatowe, zbudowane z
włókna szklanego wzmocnionego poliestrem. W piaście wirnika umieszczony jest
serwomechanizm pozwalający na ustawienie kąta nachylenia łopat (skoku). Gondola musi
mieć możliwość obracania się o 360 stopni, aby zawsze można ustawić ją pod wiatr. W
związku z tym na szczycie wieży zainstalowany jest silnik, który poprzez przekładnię zębatą
może ją obracać. W elektrowniach małej mocy, gdzie masa gondoli jest stosunkowo mała, jej
ustawienie pod wiatr zapewnia ster kierunkowy zintegrowany z gondolą. Pracą mechanizmu
ustawienia łopat, i kierunkowania elektrowni zarządza układ mikroprocesorowy na podstawie
danych wejściowych (np. prędkości i kierunku wiatru). Ponadto w gondoli znajdują się:
transformator, łożyska, układy smarowania oraz hamulec zapewniający zatrzymanie wirnika
w sytuacjach awaryjnych.
2
Elektrownia wiatrowa Vestas V80 (2 MW) 1) sterownik piasty 2) cylinder systemu sterowania
łopatami 3) oś główna 4) chłodnica oleju 5) skrzynia przekładniowa 6) sterownik VIP z
konwerterem 7) hamulec postojowy 8) dz
wig serwisowy 9) transformator 10) piasta wirnika
11) łożysko łopaty 12) łopata 13) układ blokowania wirnika 14) układ hydrauliczny 15) tarcza
hydraulicznego układu hamowania wirnika 16) pierścień układu kierunkowania 17) rama 18)
koła zębate układu kierunkowania 19) generator 20) chłodnica generatora.
Elektrownie wiatrowe wykorzystują moc wiatru w zakresie jego prędkości od 4 do 25 m/s.
Przy prędkości wiatru mniejszej od 4 m/s moc wiatru jest niewielka, a przy prędkościach
powyżej 25 m/s ze względów bezpieczeństwa elektrownia jest zatrzymywana.
Elektrownie wiatrowe a szczególnie ich skupisko wywierają znaczący wpływ na krajobraz.
Nowoczesne siłownie wiatrowe to olbrzymie konstrukcje, których wysokość może
przekraczać 100 metrów. Obracające się śmigła mogą wywoływać intrygujące wrażenie, nie
wspominają o efektach świetlnych (efekt stroboskopowy). Nie powinno się ich lokalizować w
parkach narodowych i terenach atrakcyjnych krajobrazowo. Powinny być lokalizowane z dala
od zamieszkałych budynków, aby nie wpływały niekorzystnie na psychikę pobliskich
mieszkańców.
3
Nowoczesna siłownia wiatrowa
to konstrukcja o naprawdę imponujących rozmiarach. Przykładowo: wiatrak Vestas 2 MW
posiada wirnik o średnicy 80m posadowiony na wieży o wysokości od 60m do 100m. Fot.
Benn Faulkner
Lokalizacja
Wydajność siłowni wiatrowych w dużej mierze zależna jest od ich lokalizacji w terenie. Na
wydajność siłowni zasadniczy wpływ ma ukształtowanie terenu (podłużne wzgórza,
pojedyncze wzgórza i góry, skarpy zagłębienia, przełęcze), przeszkody (budynki, drzewa).
Płaski obszar porośnięty trawą jest typowym przykładem terenu o jednolitej szorstkości. Na
tym obszarze prędkość wiatru na wybranej wysokości jest prawie jednakowa. Przeszkody
terenowe (budynki, rzędy drzew, pojedyncze drzewa), znajdujące się na drodze
przesuwających się mas powietrza, powodują gwałtowne zmniejszenie prędkości wiatru i
wzrost turbulencji w jej pobliżu.Zaburzenie w przepływie wywołane przeszkodą ma
niezwykle negatywny wpływ na trwałość i żywotność konstrukcji elektrowni, aczkolwiek
współczesne obiekty charakteryzują się wysoką niezawodnością i trwałością.
Zmienność wiatru w ujęciu przestrzennym to także uzależnienie od wysokości. Średnia
prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością względem powierzchni ziemi. Im wyżej tym wiatr
ma coraz bardziej stały charakter (mniejsze turbulencje spowodowane ukształtowaniem
terenu). Z drugiej strony wraz ze wzrostem wysokości względem poziomu morza zmniejsza
się gęstość powietrza a to oznacza mniejszą proporcjonalnie moc wiatru.
Budowa elektrowni wiatrowej wymaga dużej, otwartej przestrzeni. Stanowi to poważny
problem szczególnie dla farm wiatrowych, w których muszą być zachowane odpowiednie
odległości między samymi wiatrakami. Jednak obszar faktycznie zajmowany przez siłownie
jest niewielki. Szacuje się, że 99 % gruntów leżących w strefie oddziaływania parku
wiatrowego nadaję się użytku rolniczego, zarówno do uprawy ziemi jak i hodowli zwierząt, a
dzierżawa gruntu pod elektrownie może być dodatkowym z
ródłem dochodu dla rolników.
Znane są również przypadki lokalizacji elektrowni wiatrowych na wysokich hałdach (np.
zwałowisk kopalnianych), co stanowi pewien sposób ich zagospodarowanie.
4
Morze wydaje się optymalną lokalizacją dla farm wiatrowych - zapewnia stałe wiatry o
dużych prędkościach. Niestety koszty takiego rozwiązania znacznie przewyższają lokalizację
lądową - droższe są fundamenty, podwodna linia kablowa wyprowadzająca moc, trudniejszy
montaż. Na zdjęciu duńska farma Middelgrunden - 20 wiatraków po 2 MW. Największa
morska farma wiatrowa Horns Rev (również duńska) składa się z 80 takich wiatraków -
osiąga więc moc 160 MW.
W Polsce
Możliwości rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce są bardzo obiecujące, na co wskazują
uzyskane wyniki badań prowadzonych w IMGW, na podstawie wieloletnich obserwacji
kierunków i prędkości wiatru prowadzonych na profesjonalnej sieci meteorologicznej
Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Uprzywilejowanymi w Polsce rejonami pod
względem zasobów wiatru w mezoskali są następujące:
" środkowe, najbardziej wysunięte na północ części wybrzeża od Koszalina
po Hel,
" rejon wyspy Wolin,
" Suwalszczyzna,
" środkowa Wielkopolska i Mazowsze,
" Beskid Śląski i Żywiecki,
" Bieszczady i Pogórze Dynowskie.
5
Strefy energetyczne wiatru w Polsce (z
ródło: IMGW).
Rozkład prędkości wiatru mocno zależy od lokalnych warunków topograficznych. Znane są
liczne inne mikro-rejony kraju o korzystnych bądz
doskonałych warunkach wiatrowych.
Godne uwagi są również wysokie partie gór, gdzie średnie roczne prędkości wiatru miejscami
przekraczają 10 m/s (grzbiet główny Karkonoszy). Jeżeli udałoby się pokonać problemy z
dostępnością (słaba sieć dróg w górach), z podłączeniem do sieci elektroenergetycznej czy
rozwiązać wątpliwości związane np. z ochroną krajobrazu, wówczas rejony te powinny
doczekać się kompleksowej oceny zasobów wiatru i ich wykorzystania.
6