Wykorzystanie energetyki wiatrowej jako alternatywa dla

 Jacek Latocha
Politechnika Częstochowska
Temat: Wykorzystanie energetyki wiatrowej jako alternatywa dla tradycyjnych źródeł energii.
Energetyka jest podstawą wszelkiej działalności gospodarczej a co za tym idzie
rozwoju państw. Zapotrzebowanie na energie z roku na rok wzrasta. Obecnie nie jest możliwe
normalne funkcjonowanie społeczeństwa bez stałych dostaw energii elektrycznej. Globalnie
wykorzystywana energia elektryczna, której produkcja opiera się na źródłach
konwencjonalnych stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa energetycznego państw.
Różne źródła podają przybliżony rok wyczerpania zasobów naturalnych. Z danych
Instytutu Badań Systemowych PAN wynika, że zasoby ropy naftowej zostaną wyczerpane
ok. 2050roku, węgla kamiennego - po 2200roku, gazu – po 2060 roku, uran – ok. 2200 roku.
Dane te mogą trochę się zmienić ponieważ nie wszystkie źródła paliw zostały jeszcze
odkryte.
Głównymi źródłami energii, które wykorzystuje się w Polsce do produkcji
energii elektrycznej są paliwa stałe. Paliwa te (węgiel, ropa naftowa itd.) przyczyniają się do
skażenia środowiska naturalnego. Wiele krajów wprowadziło programy oszczędnościowe,
mimo tego w chwili obecnej można przewidzieć rok wyczerpania zasobów paliw naturalnych.
W raporcie Polskiego Komitetu Światowej Rady Energetyki pt. „Sektor energii w Polsce”
wynika że zasoby węgla w Polsce wynoszą 54700mln ton. Przy poziomie zużycia 117mln ton
rocznie zasoby te starczą na 470lat co jest dwukrotnie niższe, niż wskaźnik w skali światowej.
Według naukowców największym zagrożeniem dla środowiska naturalnego nie jest
wyczerpanie naturalnych zasobów paliwowych, lecz globalne zanieczyszczenie środowiska
substancjami ze spalania paliw tj. tlenkami węgla, siarki i azotu. W wyniku spalania oprócz
ciepła, tlenków powstają w przypadku paliw stałych popioły i żużle. Skład spalin może
się różnic w zależności w jakiej temperaturze, stosunku ilości powietrza do paliwa, rodzaju
paleniska, palnika, kotła oraz od samego rodzaju paliwa przeprowadza się proces spalania
i wielu innych czynników.
Głównymi składnikami spalin ze spalania paliw stałych są: CO2, SO2, CO, NOx, H2O,
sadza i pył. w przypadku paliw ciekłych i gazowych nie ma w spalinach pyłu, a w przypadku
gazu ziemnego nie ma SO2.
W celu przeciwdziałania ociepleniu się klimatu oraz groźbie wyczerpania zapasów
paliw naturalnych międzynarodowe organizacje podjęły szereg działań w wyniku których
powstały liczne dokumenty m.in. Protokół z Kioto o ograniczeniu emisji gazów
cieplarnianych – 1997 r. który zobowiązuje Polskę do redukcji gazów cieplarnianych .
1 Jedną z głównych dróg zmierzających w przeciwdziałania negatywnym zjawiskom
towarzyszącym zużyciu surowców jest zwiększanie w bilansie paliwowo-energetycznym
udziału źródeł odnawialnych. Przewiduje się, że w przeciągu kilkudziesięciu lat połowa
energii będzie pochodzić ze źródeł odnawialnych.
Wiatr jest jednym z odnawialnych źródeł energii. Powstaje on z wyniku
nierównomiernego ogrzewania się mas powietrza. Różnica temperatur powoduje
nierównomierny rozkład ciśnienia atmosferycznego a naturalna tendencja do wyrównywania
ciśnienia powoduje ruch nazwany wiatrem.
Wiatr można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej kiedy jego prędkość jest
w granicach od 4 do 25m/s. Równie ważna co do prędkości wiatru jest jego regularność
występowania w jednym miejscu, albowiem od tego zależy ilość wyprodukowanej energii
elektrycznej w ciągu roku. A co za tym idzie opłacalność ekonomiczna poczynionej
inwestycji.
Energia wiatrowa ma znaczny potencjał do wykorzystania. Szacuje się że
z technicznego punktu widzenia światowe zasoby energii wiatrowej nadające się do
wykorzystania to 53000 TW•h/rok czyli ilość trzykrotnie wyższa od światowego zużycia
energii. Obecnie przewiduje się że energia wiatrowa do 2020 roku ma stanowić udział
12 % w światowej produkcji energii elektrycznej.
Na świecie największymi producentami energii elektrycznej z wiatru są
Stany Zjednoczone, Niemcy, Chiny i Dania. Ponadto Dania jest największym producentem
turbin wiatrowych, ponadto do 2030 roku planuje się tam zwiększyć udział udział energii
wiatrowej w ogólnym bilansie energii elektrycznej do 50%.
W obecnej chwili istnieje duża różnorodność w rozwiązaniach technicznych siłowni
wiatrowych. Oprócz małych elektrowni wiatrowych o mocy od kilku kW istnieją też siłownie
o mocy 1,67MW(dane z 2008r.). Obecnie górna granica mocy pojedynczej turbiny wynosi
5-6MW dla turbin zwykle instalowanych na pasach wód przybrzeżnych i nadmorskich
brzegach. Jednak obecna tendencja w produkcji siłowni zmierza do instalowania jednostek o
możliwie jak największej mocy lub skupiania większej ilości siłowni o mniejszej mocy
jednostkowej na morzu lub zwartym terenie (tzw. farmy wiatrowe). Przykładem tutaj może
być farma wiatrowa w Zatoce Pomorskiej która składa się z 200 turbin zakotwiczonych na
dnie, o łącznej mocy 1000MW.
Zależności opisujące energie wiatru.
Energie kinetyczna wiatru opisuje zależność (2, 3):
E kw =
mv 2
[J]
2
(1)
gdzie: v - prędkość wiatru [m/s], m – masa powietrza przenoszona prze wiatr [kg]
Jeżeli uwzględnimy, że:
V * = Avt
(2)
M = ρV *
(3)
2 gdzie: V* - objętość przenoszonej prze wiatr masy powietrza [m3], A – powierzchnia
wirnika [m2], t – czas przepływu powietrza [s], przez prostopadle ustawioną do kierunku
wiatru pow. A.
Z powyższych założeń otrzymamy:
E kw =
1
ρAv 3t
2
(4)
Moc turbiny odpowiadająca energii zależy od prędkości wiatru która jest funkcją
wysokości h [m], opisanej zależnością (8):
Ekw1 h13a
=
Wkw2 h23a
(5)
gdzie: a – współczynnik szorstkości terenu, prędkości wiatru, czasu uśredniania wiatru
oraz warunków atmosferycznych.
Prędkość wiatru przy powierzchni Ziemi jest równa zeru z uwagi na siły tarcia,
natomiast do wysokości 100m przypada ¼ całkowitej energii wiatru.
Przetwarzanie energii wiatrowej na mechaniczną a następnie na elektryczną odbywa
się w turbinach wiatrowych, przy czym istotnymi parametrami są tutaj wielkość łopatki
wirnika i wysokość wieży na której jest osadzona turbina.
Moc silnika wiatrowego opisana jest zależnością (3, 4):
⎡
⎛
d
⎜⎜1 − S
⎢
2
DS
d ⎞ C
1 − e ⎢1 ⎛
z
⎜⎜1 − S2 ⎟⎟ − op ∗ + ⎝
P=
1+ e ⎢2 ⎝
2z
DS ⎠ C N 3
⎢
⎢⎣
⎞ ⎛
d 2 ⎞⎤
⎟⎟ ⎜⎜1 − S2 ⎟⎟ ⎥
⎠ − ⎝ DS ⎠ ⎥ ∗ πD 2 ρv 3 [W]
S
⎥
4
⎥
⎥⎦
(6)
gdzie: e- współczynnik wykorzystania energii wiatru (e = 0,3÷0,5), CN, Cop –
współczynnik odpowiednio – siły nośnej i oporu, będący funkcją kształtu profila
śmigła, dS/DS.- zmniejszenie powierzchni przepływu wskutek obecności piast o
średnicy dS, DS – średnica turbiny i dS w metrach, z – wyróżnik szybkościobieżności
tj. stosunek prędkości obwodowej końca wirnika u [m/s], do prędkości wiatru v [m/s],
który zależy od typu turbiny wiatrowej. [1]
z=
u
v
(7)
oraz dalej
z=
ωDS
(8)
2v
3 Budowa elektrowni wiatrowej.
Elektrownia wiatrowa składa się z:
1. Fundament
2. Wyjście do sieci
elektroenergetycznej
3. Wieża
4. Drabinka wejściowa
5. Serwomechanizm kierunkowania
6. Gondola
7. Generator
8. Wiatromierz
9. Hamulec postojowy
10. Skrzynia przekładniowa
11. Łopata wirnika
12. Siłownia mechanizmu przestawiania
13. Piasta
Rys. 1 Budowa elektrowni Wiatrowej [5]
Turbiny wiatrowe można podzielić na następujące typy [1]:
−
szybkobieżne z > 3,5 (silniki śmigłowe, anemony Darrieusa)
−
średniobieżne 1,5 < z < 3,5 (wiatraki, wielopłatowe)
−
wolnobieżne z < 1,5 (bębnowe, rotorowe, karuzelowe,)
Turbiny możemy także podzielić na :
• turbiny o pionowej osi obrotu:
- turbina Darrieusa
- turbina Savoniusa
Nie powinno się stosować tej turbiny w miejscach o nienajlepszych warunkach
wiatrowych ponieważ nie może osiągnąć większej prędkości obrotowej niż prędkość
wiejącego wiatru. Turbina Savoniusa nie nadaje się do produkcji energii elektrycznej za
to można ją stosować np. do pompowania wody. Turbiny te są mniej wydajne niż
turbiny o poziomej osi obrotu.
4 • turbiny o poziomej osi obrotu
- turbiny z wirnikiem który znajduje się przed masztem
- turbiny z wirnikiem zamocowanym za masztem
Są to najbardziej rozpowszechnione typy turbin na świecie. Turbiny o wirniku
zamontowany za masztem są rzadko stosowane z uwagi na straty energii wiatru
powstałe na skutek częściowego zasłonięcia wirnika przez maszt.
Budowa turbiny o poziomej osi obrotu.
Rys 2. Budowa turbiny [4]
Turbina wiatrowa składa się z wirnika zamieniającego energie wiatru na energie
mechaniczną. Wirnik jest osadzony na wale wolnoobrotowym i zazwyczaj składa się z trzech
łopat (wykonanych ze wzmocnionego poliestrem włókna szklanego), które maja możliwość
zmiany położenia względem strumienia powietrza. Obroty wirnika zazwyczaj mieszczą się
w przedziale od 15 do 30 na Obr/min. Wał wolnoobrotowy połączony jest z przekładnią która
zwielokrotnia obroty do 1500÷3000 Obr/min. Następnie przez wał szybkoobrotowy energia
mechaniczna jest przekazywana do generatora prądu który zamienia ja na energie elektryczną.
Generator prądu, wał wolno i szybkoobrotowy, hamulec, układ chłodzenia i smarowania
umieszczone są w gondoli. Gondola wraz z wirnikiem umieszczona jest na stalowej wieży
której wys. wynosi od 30 do 135m. Na szczycie wieży znajduje się też mechanizm zmiany
kierunku którego zadaniem jest ustawienie gondoli i wirnika w kierunku wiatru.
Turbiny wiatrowe wyposażone są w systemy sterowania które zbierają informacje o sile
i kierunku wiatru oraz innych parametrach atmosferycznych z anemometrów i innych
czujników umieszczonych w górnej części gondoli. System zbiera informacje i pozwala
uniknąć mechanicznych uszkodzeń oraz umożliwia jak najefektywniejsze wykorzystanie
5 turbiny. Na przykład gdy prędkość wiatru spadnie poniżej 3 m/s system włącza hamulec
(produkcja prądu nieopłacalna), wiat powyżej prędkości 25 m/s zagraża konstrukcji turbiny
i niezbędne jest wyłączenie turbiny.
Budowa nowoczesnej turbiny firmy Vestas.
Rys 3. Turbina wiatrowa Vestas V80 (2 MW) [6]
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) dźwig 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
6 18) koła zębate układu kierunkowania 19) generator
20) chłodnica generatora.
Generatory
Generatory są odpowiedzialne za przetwarzanie energii mechanicznej silnika
wirowego na energie elektryczną przy stałej lub zmiennej prędkości obrotowej wału silnika.
Większość współczesnych elektrowni wiatrowych jest wyposażona w generatory
asynchroniczne indukcyjny o stałej prędkości obrotowej. Korzyścią ze stosowania takiego
typu generatora jest łatwość podłączenia do sieci energetycznej, natomiast wadą jest
konieczność stosowania przekładni obrotowej która stanowi najbardziej awaryjny i hałaśliwy
element siłowni wiatrowej. Sprawność takiego generatora znacznie spada przy prędkości
obrotowej mniejszej od nominalnej. Największa moc użyteczna tego generatora jest osiągana
przy możliwie jak największej prędkości obrotowej wału silnia znacznie przekraczającej
prędkość obrotową wirnika.
Generatory o zmiennej prędkości obrotowej nie posiadają przekładni obrotowej,
ponieważ wytwarzają energie elektryczna już przy małych prędkościach obrotowych i mogą
być bezpośrednio podłączone do wirnika. Dzięki wyeliminowaniu przekładni generatory te są
mniej hałaśliwe, prostsze w budowie i mniej awaryjne. Zmienne obroty zwiększają wydajność
i sprawność takiej elektrowni. Problem jednak występuje w trakcie podłączenia do sieci
energetycznej. Konieczne jest stosowanie przemienników częstotliwości i napięcia. Sieć
posiada bowiem odmienne parametry energii elektrycznej niż produkowana energia
z generatora. Tego rodzaju generatory są rzadziej stosowane z uwagi na wysokie koszty
produkcji i niewielką liczbę producentów.
Generatory powinny charakteryzować się dużą niezawodnością oraz powinny utrzymywać
stałe parametry tzn. napięcie i częstotliwość wytwarzanego prądu.
Transformatory dla elektrowni wiatrowych
Stosuje się je w celu podłączenia siłowni wiatrowej do sieci elektroenergetycznej.
Charakteryzują się one małymi rozmiarami w porównaniu z klasycznymi transformatorami
dzięki czemu można bez problemu zamontować je we wnętrzu wieży elektrowni.
Transformatory tez regulują napięcie i częstotliwość energii elektrycznej pozyskanej
z generatora do zgodnego z parametrami sieci elektrycznej.
7 Energetyka wiatrowa w Polsce
W Polsce istnieją miejsca w których możliwe jest wykorzystanie energii wiatrowej do
produkcji energii elektrycznej. Zajmują one ok. 40 % powierzchni całego kraju.
Rys. 4 Strefy energetyczne wiatru w Polsce [7]
Z mapy wynika że ja najkorzystniejsze warunki wiatrowe w Polsce znajdują się w:
- środkowe, najbardziej wysunięte na północ części wybrzeża
- rejon wyspy Wolin
- środkowa Wielkopolska i Mazowsze
- Beskid Żywiecki i Śląski
- Bieszczady
Jedna prędkość wiatru może lokalnie się zmieniać. Związane jest to z warunkami
ukształtowania terenu. Średnia prędkość wiatru dla Polski wynosi latem 2,8 m/s,
a zimą 3,8 m/s.
8 Według danych Urzędu regulacji energetyki wynika, że w Polsce do sieci
podłączonych jest 253 elektrowni wiatrowe które razem mają moc 459MW. W niedługim
czasie w Polsce możemy spodziewać się wzrostu zainstalowanych siłowni do mocy 2 GW.
Wzrost ten jest spowodowany między innymi przez programy wsparcia energetyki wiatrowej.
Środki są pozyskiwane z Funduszu Spójności w ramach Osi priorytetowej. Realizowane są
też Regionalne Programy Wsparcia w tym środki z Programu Rozwoju Obszarów Wiejskich a
także można skorzystać ze środków unijnych rozdzielanych przez Narodowy Fundusz
Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.
Zalety i wady energetyki wiatrowej.
Zalety energetyki wiatrowej to: zmniejszenie zużycia energii z nieodnawialnych
źródeł, minimalne koszty pozyskiwania energii, możliwość budowania przydomowych turbin,
zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych. Energetyka ta daje też możliwość
zagospodarowania terenów słabo zaludnionych, oddalonych od krajowej sieci energetycznej
oraz zwiększa udział odnawialnych źródeł energii w ogólnym bilansie energetycznym.
Jak każda technologia energia wiatrowa posiada też wady. Są to między innymi:
wysokie koszty inwestycyjne i koszty eksploatacji, ingerencja w krajobraz, hałas turbin,
zależność od wiatru(cykliczność pracy), wprowadzanie zakłóceń do sieci energetycznych,
zagrożenie dla ptactwa oraz zakłócają odbiór fal radiowych i telewizyjnych.
Jednak pomimo wad energetyka wiatrowa to jedna z najtańszych, niewyczerpalnych,
przyjaznych środowisku technologii wytwarzania energii elektrycznej, pozwalająca
zredukować emisje dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, tlenków azotu i pyłów. Pozwala
również uniknąć zanieczyszczenia gleb, degradacji terenu, powstawaniu odpadów gazowych
i stałych, odorów i ścieków, które towarzyszą produkcji energii przez źródła konwencjonalne.
Wybudowanie jednej elektrowni wiatrowej o mocy 300 kW pozwala zmniejszyć emisję SO2
o 7 ton, CO2 o 1000 ton, popiołów o 60 ton, NOX o 5 ton w skali roku.
9 Bibliografia:
[1] Grażyna Jastrzębska, „Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne”, Warszawa, WNT 2008.
[2] Witold M. Lewandowski, „Proekologiczne odnawialne źródła energii”, Warszawa, WNT 2010.
[3] Paweł Choromański, „GLOBEnergia”, NR 1/2010
[4] http://www.biomasa.org/index.php?d=artykul&kat=42&art=37.
[5] http://pl.wikipedia.org/wiki/Turbina_wiatrowa.
[6] http://www.elektrowniewiatrowe.pl/innepliki/V80_pol.pdf.
[7 ]http://www.builddesk.pl/files/BuildDesk_PL/images/edukacja/ekologia/energia_wiatru_mapka_ok.gif.
10