Energia wiatru - FON Ecology SA

Energia wiatru
Co to jest wiatr?
Do róŜnych obszarów Ziemi dociera róŜna ilość promieniowania słonecznego. Jak wiemy, okolice
równika nagrzewają się o wiele bardziej niŜ strefy okołobiegunowe. Gdy lekkie, gorące powietrze
z rejonu równika ucieka w górę, na jego miejsce napływają fale chłodnego powietrza znad
biegunów. Tak powstaje wiatr - ruch powietrza, spowodowany róŜnicami temperatur i ciśnień, a
takŜe działaniem związanej z obrotowym ruchem Ziemi siły Coriolisa. Gdyby nie zakrzywiająca tor
wiatru siła Coriolisa, zwana teŜ geostroficzną, powietrze przemieszczałoby się w linii prostej,
wędrując od obszarów wysokiego ciśnienia ku terenom o ciśnieniu niskim.
Rodzaje wiatrów
NajniŜsze ciśnienie panuje nad równikiem. Powietrze, które odpływa znad tego „równikowego
pasa ciszy” opada następnie na ziemię w okolicach zwrotników (szerokość geograficzna mniejsza
niŜ 30 stopni), a stamtąd rozprzestrzenia się na północ i na południe w postaci stałych wiatrów
zachodnich i zwanych teŜ pasatami stałych wiatrów wschodnich. To jednak nie te, globalne
wiatry, lecz charakterystyczne dla danego obszaru wiatry lokalne mają największy wpływ na
pogodę na danym terenie. Polskim wiatrem lokalnym jest występujący w Sudetach i Karpatach
wiatr halny, który jest jednocześnie przykładem wiatru górskiego, powstającego ze względu na
róŜnice w nagrzewaniu się stoków górskich i dolin. W dzień wyŜsze temperatury panują na
górskich zboczach, podczas gdy nocą to doliny zatrzymują więcej ciepła.
Zwróć uwagę
Energia wiatru moŜe być uznawana za formę energii Słońca. Nie byłoby wiatru, gdyby taka sama
ilość promieniowania słonecznego docierała do wszystkich punktów globu.
Historia
Energia wiatru znajduje zastosowanie od bardzo dawnych
czasów. JuŜ 4000 lat temu staroŜytni Babilończycy pompowali
wodę przy pomocy wiatraków, nawadniając pola i osuszając
mokradła, o wiele wcześniej zaś wykorzystywano wiatr w
Ŝegludze. Od VI wieku Persowie mełli ziarno w młynach
wiatrowych.
W VIII wieku w Europie pojawiły się duŜe czteroskrzydłowe
wiatraki,
wykorzystywane
przez
Holendrów
do
wypompowywania wody z obszarów nisko połoŜonych. Wraz z
odkryciem elektryczności energia wiatru znalazła nowe
zastosowanie: pod koniec XIX wieku podjęto pierwsze próby
wykorzystania jej do produkcji prądu, zaś do roku 1960 na
świecie działało juŜ ponad milion siłowni wiatrowych.
Zainteresowanie energią wiatru, tak jak i innymi odnawialnymi źródłami energii wzrosło w
następstwie kryzysu energetycznego z 1973 roku. Od tego czasu na całym świecie zainstalowano
ponad 50 000 turbin wiatrowych, a energetyka wiatrowa jest jedną z najdynamiczniej
rozwijających się gałęzi przemysłu.
Europa - światowy lider
Światowy potencjał energii wiatru jest całkiem spory. W roku 2005 holenderscy naukowcy
stwierdzili, Ŝe do roku 2020 energia wiatru mogłaby zaspokoić 12% światowego zapotrzebowania
na energię elektryczną.
Współcześnie szybki rozwój energetyki wiatrowej następuje zwłaszcza na terenie Europy. W roku
2004 w krajach starej Unii Europejskiej moc zainstalowana elektrowni wiatrowych zwiększyła się
o 20,3% w stosunku do roku 2003 i wynosiła 34 366 MW - blisko trzy czwarte światowej mocy
zainstalowanej.
Europejskim liderem w wykorzystywaniu energii wiatru pozostają Niemcy, które w 2001 roku
dysponowały aŜ 46,1% światowej mocy zainstalowanej , jednak w roku 2004 najwięcej mocy
zainstalowanej przybyło w Hiszpanii – kraju o ponadprzeciętnej prędkości wiatru (do 10m/s) i
znakomitych warunkach do rozwoju energetyki wiatrowej. Spośród nowych członków UE
największą ilość mocy zainstalowanej – 68,1 MW - posiada Polska, jednak w roku 2004 nasz kraj
zwiększył swój potencjał tylko o ponad 11%, podczas gdy w innym nowym państwie Unii – w
Estonii – zasoby mocy zainstalowanej wzrosły aŜ o 583,8%.
Czy wiesz, Ŝe...
... w Danii energia wiatru pokrywa 18,5% zapotrzebowania na energię elektryczną, zaś w roku
2008 będzie to juŜ 25%? W duńskim sektorze energetyki wiatrowej istnieje 20 tys. miejsc pracy.
Warunki
śeby móc wykorzystywać energię wiatru do
produkcji prądu niezbędne są odpowiednie warunki,
to znaczy stałe występowanie wiatru o określonej
prędkości. Elektrownie wiatrowe pracują zazwyczaj
przy wietrze wiejącym z prędkością od 5 do 25 m/s,
przy czym prędkość od 15 do 20 m/s uznawana jest
za optymalną. Zbyt małe prędkości uniemoŜliwiają
wytwarzanie energii elektrycznej o wystarczającej
mocy, zbyt duŜe zaś – przekraczające 30 m/s –
mogą doprowadzić do mechanicznych uszkodzeń
wiatraka.
Najodpowiedniejsze
warunki
dla
energetyki wiatrowej istnieją zazwyczaj w okolicach
nadmorskich – takich jak na przykład Dolna Saksonia, skupiająca ponad 40% niemieckich
elektrowni wiatrowych - i na terenach podgórskich. W naszym kraju obszary szczególnie
sprzyjające wykorzystywaniu energii wiatru to województwa pomorskie i zachodniopomorskie,
gdzie obecnie, w miejscowości Tymień powstaje największa polska farma wiatrowa – zakład o
mocy 50 MW, który będzie oddany do uŜytku w czerwcu 2006 roku. Jak ustalili meteorolodzy, w
okolicach Tymienia przez około 300 dni w roku wieje silny wiatr.
Farma wiatrowa to zespół połoŜonych w niewielkiej odległości od siebie wiatrowych urządzeń
prądotwórczych, grupujący od ponad 10 do nawet 100 turbin wiatrowych.
Zalety i wady
Energia wiatru jest odnawialnym źródłem energii
(OZE)
niewyczerpywalnym
i
niezanieczyszczającym środowiska. Nie znaczy to
jednak, Ŝe jest dla środowiska neutralna. Jak się
okazuje, elektrownie wiatrowe mogą wywierać
negatywny wpływ na otoczenie – na ludzi, na ptaki,
na krajobraz. Problemem jest na przykład
wytwarzany przez turbiny wiatrowe stały,
monotonny hałas o niskim natęŜeniu, niekorzystnie
oddziaływujący na psychikę człowieka. By
zneutralizować jego wpływ, wokół masztów
elektrowni wiatrowych wyznacza się strefę
ochronną o szerokości 500 metrów. Inna kwestia to niebezpieczeństwo, stwarzane przez
elektrownie wiatrowe dla ptaków. Mimo, Ŝe zdania naukowców w tej sprawie są podzielone i - jak
utrzymują niektórzy – migrujące ptaki umieją omijać elektrownie, inni szacują, Ŝe farma wiatrowa
o mocy 80 MW moŜe zabić nawet 3500 ptaków w ciągu roku. Na koniec wspomnieć naleŜy takŜe
o ujemnym wpływie wywieranym przez elektrownie wiatrowe na krajobraz: zajmują one duŜe
powierzchnie i zlokalizowane są często w turystycznych rejonach nadmorskich i górskich.
Energii nie da się unicestwić, jej jedna forma moŜe zostać co najwyŜej zamieniona na inną.
Jednostka: 1 dŜul, J (równowartość 1 watosekundy)
1kWh = 3600 kJ = 3 600 000 J
Typowe nośniki energii wykorzystywane do produkcji prądu, pozyskiwania ciepła i napędzania
maszyn to:
•
•
•
źródła energii chemicznej (paliwa kopalne), czyli węgiel, torf, ropa nafotwa, piaski
roponośne/łupki naftowe, gaz ziemny,
źródła energii jądrowej, to znaczy uran, pluton i cięŜka woda (deuter, tryt),
odnawialne źródła energii.
Odnawialne Źródła Energii
Odnawialne źródła energii (OZE) są ostatnio coraz częściej wykorzystywane. Główną przyczyną
tej rosnącej popularności jest nieszkodliwość OZE dla środowiska i ich niewyczerpywalność. Cechy
te odróŜniają je od źródeł konwencjonalnych, których eksploatacja jest główną przyczyną
niepokojących zmian klimatu, i których światowe zasoby prędzej czy później zostaną całkowicie
wyczerpane. Ocenia się, Ŝe najdłuŜej, bo jeszcze przez prawie 220 lat, będzie moŜna korzystać ze
złóŜ węgla, o wiele krócej - ponad 60 lat - trwać będzie eksploatacja gazu ziemnego, zaś ropy
naftowej wystarczy na jakieś 30-40 lat. Perspektywa wyczerpania się wszystkich tych surowców,
jak równieŜ szkody, powodowane w środowisku przez ich wykorzystywanie, sprawiają, Ŝe ludzie
juŜ teraz poszukują alternatyw.
Źródła:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Biopaliwa, red. P. Gradziuk, 2003
Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, publikacja EC BREC/IBMER,
2003
www.atmosphere.mpg.de
www.pogoda.x.wp.pl
www.ewea.org
www.energies-renouvelables.org
www.darvill.clara.net
www.proekologia.pl
www.zielonaenergia.pl
www.international.niedersachsen.de
Ludzkość w poszukiwaniu energii, 21 odkryć XXI wiek – dodatek do Gazety Wyborczej
www.suisse-eole.ch
www.windpower.org
Pomiary wiatru
Osiągnięcia antycznych Ŝeglarzy – na przykład opłynięcie Afryki przez flotę egipsko-fenicką na
przełomie VII i VI wieku p.n.e. – świadczą o tym, Ŝe juŜ w czasach staroŜytnych umiano
dokonywać pomiarów wiatru, zwłaszcza zaś określać jego kierunek. Najstarszym zachowanym
świadectwem tej umiejętności jest wzniesiona w 100 roku p. n. e. w Atenach marmurowa WieŜa
Wiatrów, pozwalająca wyznaczać kierunek wiatru w ośmiu wyróŜnionych płaskorzeźbami
sektorach. Kierunek wiatru wskazywał trzymanym w ręce prętem ruchomy posąg bóstwa
morskiego – Trytona, umieszczony na szczycie wieŜy. Z kolei najstarszym urządzeniem, słuŜącym
do mierzenia prędkości wiatru był poziomy wiatrak do wyciskania winogron, uŜywany w VII wieku
w Persji. Prędkość wiatru określano licząc jego obroty.
Prędkość i kierunek
Współcześnie do mierzenia prędkości i kierunku wiatru wykorzystuje się róŜnego rodzaju
wiatromierze, z których najprostszym jest wiatromierz Wilda. Składa się on z pierścienia z
ośmioma wskazującymi kierunki świata prętami, osadzonego na pionowo ustawionym pręcie,
zaopatrzonym w chorągiewkę kierunkową i we wskazującą prędkość metalową płytkę. Kierunek
wiatru określa się na podstawie połoŜenia chorągiewki względem prętów kierunkowych, prędkość
wyznacza zaś wielkość spowodowanego przez wiatr odchylenia płytki od pionu. Do ustalania
prędkości wiatru stosuje się teŜ umowną skalę Beauforta, uŜywaną równieŜ do oceniania stanu
morza. Jej nazwa, podobnie jak nazwa jednostki pomiarowej – stopnia Beauforta - pochodzi od
nazwiska angielskiego admirała Francisa Beauforta, który w 1805 roku sporządził pierwszą wersję
skali.
Skala Beauforta
Siła w st. B
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Nazwa wiatru
cisza
powiew
słaby wiatr
łagodny wiatr
umiarkowany wiatr
dość silny wiatr
silny wiatr
bardzo silny wiatr
gwałtowny wiatr
Prędkość w km/h
poniŜej 1
1-5
6 - 11
12 - 19
20 - 28
29 - 38
39 - 49
50 - 61
62 - 74
9
10
11
12-17
wichura
silna wichura
gwałtowna wichura
huragan
75 - 88
89 - 102
103 - 117
118 i więcej
Skutki działania wiatru na lądzie
dym unosi się pionowo
dym unosi się niecałkiem pionowo
odczuwanie powiewu na twarzy
poruszanie się liści
poruszanie się gałązek
poruszanie się większych gałęzi
poruszanie się grubych gałęzi
poruszanie się cieńszych pni
utrudnione chodzenie pod wiatr,
uginanie się grubych pni
unoszenie mniejszych przedmiotów
łamanie gałęzi i mniejszych drzew
łamanie duŜych pni
uszkadzanie budynków,
wyrywanie drzew z korzeniami
Kierunek wiatru
Z kolei kierunek wiatru (czyli ten, z którego wiatr wieje) ustala się bądź przy pomocy
wiatromierzy kierunkowych, bądź teŜ korzystając z uŜywanej równieŜ do określania kierunku
prądów morskich i kursu statków róŜy wiatrów. RóŜa wiatrów to rysunek, przedstawiający 8 lub
16 kierunków świata z zaznaczonymi skrótowo nazwami.
Symbol
N
NE
E
SE
S
SW
W
NW
Kierunek
północny
północno-wschodni
wschodni
południowo-wschodni
południowy
południowo-zachodni
zachodni
północno-zachodni
Oznaczenia stosowane w ośmiokierunkowej róŜy wiatrów
RóŜe wiatrów powszechnie umieszczano na XIV – XVIII – wiecznych mapach nawigacyjnych.
Źródło:
•
A. MaciąŜek, Pomiary wiatru, Gazeta Obserwatora IMGW, nr 3, 2005
Potencjał
Elektrownie wiatrowe wykorzystywane są przede wszystkim do produkcji energii elektrycznej.
Siłownie wiatrowe mogą być podłączone do krajowej sieci energetycznej lub teŜ pracować na sieć
wydzieloną i zaspokajać zapotrzebowanie energetyczne zakładu produkcyjnego, gospodarstwa
rolnego lub domu. Niektóre siłownie wiatrowe wykorzystują bezpośrednio energię wiatru do
pompowania wody, napowietrzania zbiorników wodnych i innych celów.
Potencjał w Europie
Mapa poglądowa - zasoby energii wiatru
- średnia prędkość wiatru na wysokości 80 m w 2000 r.
Źródło: www.stanford.edu/group/efmh/winds/global_winds.html
Potencjał w Polsce
Polska naleŜy do krajów średnio zasobnych w energię wiatru. Wykorzystując jej potencjał nasz
kraj mógłby pokryć 17% zapotrzebowania na energię elektryczną. W tabelce porównano polskie
zasoby energii wiatru z zasobami Danii i Szwecji – krajów, w których energetyka wiatrowa ma
istotny udział w produkcji energii.
Kraj
Polska
Dania
Szwecja
Potencjał energii wiatru w PJ/rok
36
97
209
Odpowiednie warunki do wykorzystania energii wiatru istnieją na 1/3 powierzchni naszego kraju.
Według danych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW) na obszarze 60 tys. km2,
czyli na około 30% terytorium kraju średnia prędkość wiatru przekracza 4m/s. Poza tym
obszarem odpowiednie warunki do lokalizacji farm wiatrowych istnieją na powierzchni 30 tys.
km2.
Najlepsze warunki wiatrowe w Polsce panują na północnych krańcach kraju, gdzie średnia roczna
prędkość wiatru na wysokości ponad 50 m waha się od 5,5 do 7,5 m/s. Pierwsze farmy wiatrowe
zaczęły tam powstawać juŜ na początku lat 90. Najbardziej sprzyjające wykorzystaniu energii
wiatru tereny to wyspa Uznam, wybrzeŜe Bałtyku od Świnoujścia po Gdańsk, PobrzeŜe
Kaszubskie i Suwalszczyzna. Dobre warunki wiatrowe panują na Nizinie Mazowieckiej, w
centralnej Wielkopolsce, w Beskidzie Śląskim i śywieckim, w Bieszczadach, na Pogórzu
Dynowskim i we wschodniej części Doliny Sandomierskiej. Niekorzystne warunki wiatrowe panują
w prawie całej wyŜynnej części kraju.
Mapa poglądowa - strefy energetyczne wiatru w Polsce
Źródło: Ośrodek Meteorologii IMGW
Źródła:
•
•
•
•
•
•
•
www.windpower-monthly.com
www.yorke.sa.gov.au
www.climateark.org
www.scottishpower.com
www.eo.org.pl
www.zielonaenergia.pl
Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, EC BREC, 2003
Wykorzystanie
Wykorzystanie w Polsce
W roku 2003 w naszym kraju pracowało około 40 profesjonalnych siłowni wiatrowych,
sprzedających energię elektryczną do sieci, a największą polską farmą wiatrową był posiadający
dziewięć elektrowni wiatrowych park w Cisowie koło Darłowa. Moc zainstalowana kaŜdej
elektrowni w tym parku wynosi 2 MW, a wysokość turbiny wraz ze skrzydłami - 118 m.
Rozmieszczenie elektrowni wiatrowych na terenie Polski - stan na XII 2001 r. (za EC BREC)
Z biegiem czasu i wraz z postępem technicznym zwiększa się moc i rozmiar konstruowanych
turbin. Na przykład w Niemczech pod koniec roku 2000 moc zainstalowana przeciętnej siłowni
wiatrowej wynosiła 1120 kW, wysokość do 71 m., a średnica wirnika do 58 m., podczas gdy w
1991 roku liczby te wynosiły odpowiednio: 165 kW oraz 31 i 23 m.
Rokład produkcji energii w elektrowniach wiatrowych na początku 2005 roku
Europa
Kraj
Niemcy
Hiszpania
Dania
Włochy
Holandia
Polska
Ukraina
Łotwa
Czechy
Bułgaria
Ogółem
Moc zainstalowana w MW
16 628
8 263
3 118
1 265
1 078
58
57
26
17
1
34 630
W/mieszkańca
202,8
209,7
588,3
22,0
68,2
1,5
1,1
10,8
1,7
0,1
-
Ameryka Północna
Kraj
Stany Zjednoczone
Kanada
Ogółem
Moc zainstalowana w MW
6 752
444
7 196
W/mieszkańca
23,6
14,3
-
Azja
Kraj
Indie
Chiny
Tajwan
Korea Południowa
Sri Lanka
Ogółem
Moc zainstalowana w MW
2 983
764
16
8
3
3 774
W/mieszkańca
2,9
0,6
0,7
0,2
0,2
-
Rejon Pacyfiku
Kraj
Japonia
Australia
Nowa Zelandia
Wyspy na Pacyfiku
Ogółem
Moc zainstalowana w MW
940
380
170
11
1 501
W/mieszkańca
7,4
19,7
42,5
-
Przykłady na świece - największa farma wiatrowa Australii
W Australii, gdzie jeszcze w roku 2000 istniały zaledwie trzy farmy wiatrowe (w tym tylko jedna
podłączona do sieci energetycznej) w czerwcu 2005 roku
otwarto największą farmę wiatrową w kraju – zakład w
miejscowości Wattle Point, połoŜonej na Półwyspie Yorke, 15
km na południowy wschód od Yorketown.
Na farmie w Wattle Point, zajmującej obszar 17,5 km2 pracuje
55 turbin wiatrowych o łącznej mocy 91 MW. Mogą one
zaopatrzyć w energię elektryczną ponad 55 tys. gospodarstw
domowych, zapobiegając tym samym wyemitowaniu 360 tys.
ton gazów cieplarnianych rocznie.
Budowa farmy w Wattle Point kosztowała 180 mln dolarów i
trwała rok: od czerwca 2004 do maja 2005. Pierwszą turbinę
wraz z 230 m3 betonowych fundamentów postawiono w
listopadzie 2004. Do montowania turbin uŜywano dźwigu,
podnoszącego maksymalnie 600 ton.
Dane techniczne
WieŜa (pusta wewnątrz, z drabinką dla obsługi technicznej):
•
•
wysokość: 68 m,
waga: 89 t (część górna - 27 t, środkowa - 25 t, dolna - 37 t).
Łopaty (wykonane z poliestru, wzmocnionego szklanym włóknem):
•
•
•
długość: 41 m,
waga: 7,5 t,
predkość obrotowa: 14,4 obrotu na minutę.
Gondola:
•
waga: 51 t.
Wirnik:
•
średnica: 82 m.
Farma w Wattle Point zatrudnia ponad 160 osób, z których połowa to pracownicy pochodzący z
regionu, zatrudnieni do prac elektrycznych i mechanicznych, obsługi technicznej, betonowania,
wytyczania dróg, ogradzania, a takŜe pracujący w transporcie i w ochronie.
Źródła:
•
•
•
•
•
•
•
www.windpower-monthly.com
www.yorke.sa.gov.au
www.climateark.org
www.scottishpower.com
www.eo.org.pl
www.zielonaenergia.pl
Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, EC BREC, 2003
Budowa elektrowni wiatrowej
Budowa turbiny wiatrowej
Główny element siłowni wiatrowej to wirnik przekształcający energię wiatru w energię
mechaniczną, z której z kolei generator produkuje energię elektryczną. Osadzony na wale
wolnoobrotowym wirnik posiada zwykle trzy łopaty, wykonane ze wzmocnionego poliestrem
włókna szklanego. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością od 15 do 30 obrotów na minutę.
Prędkość ta zostaje następnie zwiększona przez przekładnię do 1500 obrotów na minutę.
Przekładania
połączona
jest
z
wałem
szybkoobrotowym, a ten z kolei z generatorem.
Generator, przekładnia, a takŜe monitorujący
siłownię
system
sterowania
oraz
układy
smarowania, chłodzenia i hamulec umieszczone są
w gondoli, zamocowanej wraz z wirnikiem na
stalowej wieŜy o wysokości od 30 do 100 m. Na
szczycie wieŜy znajduje się silnik i przekładnia
zębata, których zadaniem jest obracanie wirnika i
gondoli w kierunku wiatru. Budowa siłowni
wiatrowych o niewielkich mocach jest znacznie
prostsza. Nie posiadają one na przykład
mechanizmów ustawienia łopat, a ich konstrukcja
umoŜliwia wyłączenie elektrowni poprzez pionowe ustawienie wirnika.
Turbiny wiatrowe są wyposaŜone w układ kontroli, który pozwala uniknąć mechanicznego
uszkodzenia elektrowni i umoŜliwia jak najefektywniejsze wykorzystywanie jej potencjału. Na
przykład turbiny wiatrowe na farmie w Crookwell w australijskiej prowincji Południowa Nowa
Walia (nawiasem mówiąc, była to pierwsza australijska farma wiatrowa podłączona do sieci
energetycznej) są wyłączane, gdy prędkość wiatru przekracza 72 km/h. Komputerowy system
kontroli, korzystający z danych dotyczących kierunku i prędkości wiatru pozwala im takŜe
kierować się zawsze w odpowiednią stronę.
Rodzaje turbin
Turbiny o poziomej osi obrotu
Najbardziej rozpowszechnione są turbiny o poziomej osi obrotu, składające się z wysokiej wieŜy,
zakończonej przypominającym śmigło wirnikiem. Wirnik posiada zwykle trzy łopaty, choć istnieją
takŜe konstrukcje, w których łopat jest mniej – dwie lub nawet jedna – bądź więcej – przykładem
mogą być kilkunastołopatowe wiatraki amerykańskie, uŜywane do napędzania pomp wodnych. By
osiągnąć maksymalną efektywność, turbiny o poziomej osi obrotu muszą być zwrócone dokładnie
w kierunku wiatru, umiejscowienie wirnika w stosunku do wiejącego wiatru moŜe być jednak
róŜne. Wśród turbin o poziomej osi obrotu wyróŜnia się:
•
•
turbiny, w których wirnik znajduje się przed masztem
i turbiny, o wirniku zamocowanym za masztem.
To ostatnie rozwiązanie nie jest zbyt popularne z uwagi na straty powodowane częściowym
zacienianiem wirnika przez maszt.
Turbiny o pionowej osi obrotu
Niewielki procent wszystkich turbin wiatrowych stanowią turbiny o pionowej osi obrotu. Ich
przykłady to:
•
•
przypominająca z wyglądu trzepaczkę do ubijania piany turbina Darrieusa, wynaleziona
we Francji w latach 20. minionego wieku oraz
wynaleziona w Finlandii turbina Savoniusa, która widziana z góry kształtem przypomina
literę „s”.
Turbina ta nie powinna być stosowana w rejonach o nienajlepszych warunkach wiatrowych,
poniewaŜ nie moŜe osiągać prędkości większej, niŜ prędkość wiejącego w danej chwili wiatru.
Mniej wydajna niŜ turbina o poziomej osi obrotu, osiągająca małe prędkości turbina Savoniusa nie
nadaje się do produkcji energii elektrycznej, moŜe być za to wykorzystywana do mielenia ziarna,
pompowania wody i wielu innych zadań.
Generatory
Większość współczesnych elektrowni wiatrowych jest wyposaŜona w stosowane w siłowniach
wiatrowych o stałej prędkości obrotowej generatory asynchroniczne. Zaletą tego typu siłowni jest
łatwość podłączenia do sieci energetycznej, wadą zaś konieczność uŜywania przekładni o duŜym
stopniu przełoŜenia – największą moc uŜyteczną generatory asynchroniczne wytwarzają bowiem
przy prędkości obrotowej znacznie przekraczającej prędkość obrotową wirnika. Inny minus takich
rozwiązań to spadek ogólnej sprawności elektrowni, wywołany stałą prędkością obrotową wirnika
niezaleŜną od prędkości wiatru, a takŜe fakt, Ŝe przekładnie o duŜym stopniu przełoŜenia
stanowią najbardziej awaryjny i hałaśliwy zespół siłowni wiatrowej.
Przekładnia nie jest potrzebna, gdy wykorzystuje się generatory o zmiennej prędkości obrotowej,
które wytwarzają moc uŜyteczną przy małych prędkościach obrotowych i mogą być podłączone
bezpośrednio do wirnika. Dzięki małym prędkościom obrotowym i wyeliminowaniu przekładni,
tego typu konstrukcje są prostsze, nie zuŜywają się tak szybko i nie emitują tak duŜego hałasu.
Zmienne obroty natomiast zwiększają sprawność elektrowni i jej wydajność energetyczną. Słabą
stroną takich rozwiązań jest jednak konieczność stosowania przemienników napięcia i
częstotliwości, bez których niemoŜliwe byłoby podłączenie elektrowni do sieci. Parametry energii
elektrycznej, wytwarzanej przez generatory o zmiennej prędkości obrotowej róŜnią się bowiem od
parametrów sieci energetycznej.
Turbina mała czy duŜa?
Moc zainstalowana współczesnych parków wiatrowych dochodzi nawet do setek MW. Wraz z jej
wzrostem zwiększa się takŜe moc i – co za tym idzie – rozmiar pojedynczych turbin,
produkujących energię elektryczną o wartości nawet kilku MW i zamocowanych na wieŜach,
których wysokość sięga aŜ 100 m. Tak duŜe turbiny wiatrowe wymagają jednak szczególnie
dobrych warunków wiatrowych i rozległych niezabudowanych terenów. Nie wszędzie występują
takie warunki, poza tym stosowanie duŜych turbin wiatrowych pociąga za sobą pewne problemy.
DuŜe turbiny wiatrowe:
•
•
•
„zanieczyszczają wizualnie środowisko”, czyli po prostu szpecą krajobraz,
emitują uciąŜliwy monotonny hałas, a takŜe
stanowią zagroŜenie dla ptaków i nietoperzy.
Gdy panujące w danym miejscu warunki nie pozwalają na wykorzystywanie duŜych turbin
wiatrowych lub, gdy inwestorowi zaleŜy na uniknięciu wyŜej wymienionych problemów,
rozwiązaniem pozostaje stosowanie turbin małych, o mocy od 0,1 do 100 kW. Pracują one cicho,
nie stwarzają niebezpieczeństwa dla ptaków i nie tylko nie szpecą otoczenia, lecz mogą wręcz
podnosić jego walory estetyczne, stanowiąc część dekoracyjnych elementów architektonicznych.
Poza tym niektóre miejsca szczególnie sprzyjają wykorzystaniu małych turbin wiatrowych.
Turbiny te sprawdzają się zwłaszcza:
•
•
•
•
na terenach o mniej korzystnych warunkach wiatrowych, gdzie potrzebne są niewielkie
ilości energii elektrycznej,
na obszarach trudno dostępnych – zaletą małych turbin wiatrowych jest bowiem ich
przenośna konstrukcja,
na dalekiej północy, gdzie ilość światła jest niewielka i małe turbiny wiatrowe efektywniej
niŜ ogniwa fotowoltaiczne zasilają stacje telefonii komórkowej,
w warunkach ekstremalnych, przy bardzo silnych wiatrach, w skrajnych temperaturach.
Małe turbiny wiatrowe o pionowej osi i mocy około 10 kW wytrzymują nawet cyklony,
sztormy i burze piaskowe, mogą teŜ pracować w temperaturach od -50 do 50 st. C. Tego
typu rozwiązania były testowane we włoskich Alpach, gdzie na wysokości 3150 m. n.p.m.
prędkość wiatru sięga ponad 250 km/h.
W fazie projektu jest koncepcja wykorzystania małych turbin wiatrowych na terenach
zabudowanych, gdzie budynki mają pełnić rolę koncentratorów prędkości wiatru. Turbina
wiatrowa byłaby umieszczana bądź w najwęŜszym miejscu między zabudowaniami, bądź teŜ na
dachu budynku, gdyŜ - jak wykazują symulacje komputerowe – kilka metrów nad dachem
prędkość wiatru jest o 30% większa niŜ na tej samej wysokości na terenie niezabudowanym.
Moc zainstalowana to moc znamionowa generatora, będącego częścią instalacji, wykorzystującej
odnawialne źródło energii – na przykład elektrowni wiatrowej.
Małe turbiny wiatrowe moŜna z powodzeniem wykorzystywać:
•
•
•
•
•
na jachtach i łódkach,
do podświetlania tablic informacyjnych nocą,
do zasilania systemów sygnalizacyjnych,
do zasilania systemów pomiarowych,
do ładowania baterii.
Wraz z postępem technicznym wydajność turbin wzrasta. Na przykład jedna z firm ma w swojej
ofercie wysokie na 2,4 m turbiny o powierzchni 2,973 m2, które przy wietrze wiejącym z
prędkością 5 m/s produkują 57 W mocy, zaś przy wietrze o prędkości 14 m/s wytwarzają juŜ
1259 W.
Dlaczego elektrownie wiatrowe hałasują?
Głównym „sprawcą” hałasu emitowanego przez elektrownie wiatrowe są łopaty wirnika, które
obracając się natrafiają na opór powietrza, poza tym do powstawania uciąŜliwego szumu
przyczynia się takŜe układ przeniesienia mocy, czyli wirnik, przekładnia i generator. Im większa
moc elektrowni, im starsza technologia, im mniej aerodynamiczna konstrukcja łopat, tym większy
hałas, powodowany przez turbinę. Redukcji poziomu hałasu, który jest szczególnie dokuczliwy
przy wietrze o małych i średnich prędkościach słuŜy stosowanie nowoczesnych technologii
(współczesne turbiny wiatrowe pracują ciszej od swych poprzedniczek), by zaś zneutralizować
wpływ hałasu na ludzi naleŜy zachować odpowiedni dystans między elektrownią wiatrową a
zabudową mieszkaniową. Polskie prawo wymaga, by hałas emitowany w porze nocnej na
obszarach zabudowy jednorodzinnej i na terenach wypoczynkowo-rekreacyjnych poza miastem
nie przekraczał 40 decybeli.
Źródła:
•
•
•
•
•
•
•
Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, EC BREC/IMBER, 2003
www.elektrownie-wiatrowe.org.pl
www.eere.energy.gov
www.re-energy.ca
www.zielonaenergia.pl
www.krainaenea.pl
www.argylecounty.com.au/nature/windfarm
Lokalizacja elektrowni wiatrowej
Projektując farmę wiatrową trzeba wziąć pod uwagę wiele rozmaitych czynników. Po pierwsze, na
wybranym terenie muszą panować odpowiednie warunki wiatrowe . W Polsce za obszary
pozwalające wykorzystywać energię wiatru uznaje się miejsca, w których średnia roczna prędkość
wiatru na wysokości 70 m n. p. g. (nad poziomem gleby) wynosi co najmniej 6 m/s. Gdzie
występują takie warunki?
Klasy szorstkości terenu
Prędkość wiatru zaleŜy od wysokości (średnia prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością
względem powierzchni ziemi) i od szorstkości terenu, o szorstkości zaś decydują rzeźba
powierzchni i takie przeszkody terenowe, jak drzewa czy zabudowania. Im niŜsza klasa
szorstkości terenu – to znaczy im mniej przeszkód terenowych na danym obszarze, tym większe
są tam zasoby energii wiatru i tym lepsze warunki do budowy elektrowni. Na terenach klasy 4
produktywność farmy wiatrowej spada nawet o ponad 50%, zaś najlepsze pod względem
warunków wiatrowych obszary to morskie wybrzeŜa, otwarte równiny, wierzchołki wzniesień i
górskie przełęcze, a więc miejsca, w których regularnie występują wiatry o duŜej sile. Elektrowni
wiatrowych nie naleŜy za to lokalizować w górskich dolinach i kotlinach. W Polsce najlepsze
warunki wiatrowe panują na Pomorzu i w północno-wschodnich rejonach kraju, duŜym
potencjałem energii wiatru dysponują teŜ górzyste i pagórkowate tereny Sudetów, Beskidu
Śląskiego i śywieckiego, Bieszczad, Pogórza Dynowskiego, Garbu Lubawskiego i Kielcczyzny.
Szorstkość terenu ma wpływ na prędkość wiatru do wysokości jednego kilometra nad poziomem
ziemi i w promieniu 20 km. Dlatego waŜne jest, by elektrownie wiatrowe lokalizować odpowiednio
daleko od przeszkód terenowych. Ze względu na hałas, emitowany przez turbiny wiatrowe
minimalna odległość między farmą wiatrową a domami mieszkalnymi powinna wynosić 500 m, z
kolei z uwagi na produktywność elektrowni, dystans minimum 3000 m powinien dzielić jej
zachodnią i południowo-zachodnią stronę od lasów i wysokiej zabudowy.
Charakterystyka klas szorstkości terenu
Klasa
szorstkości
0
0,5
1
Energia
[%]
100
73
52
1,5
45
2
39
2,5
31
3
24
3,5
4
18
13
Rodzaj terenu
powierzchnia wody
teren całkowicie otwarty, np. łąka, betonowe lotnisko
pola uprawne z niskimi pojedynczymi zabudowaniami,
tereny lekko pofalowane
pola uprawne z nielicznymi zabudowaniami i 8 metrowymi Ŝywopłotami
oddalonymi od siebie o około 1250 m
pola uprawne z nielicznymi zabudowaniami i 8 metrowymi Ŝywopłotami
oddalonymi od siebie o około 500 m
pola uprawne z nielicznymi zabudowaniami i 8 metrowymi Ŝywopłotami
oddalonymi od siebie o około 250 m
wioski, miasteczka, pola uprawne z licznymi Ŝywopłotami,
lasy, tereny pofałdowane
duŜe miasta z wysokimi budynkami
bardzo duŜe miasta z wysokimi budynkami i drapaczami chmur
WaŜna jest lokalizacja farmy wiatrowej w terenie, waŜne jest teŜ usytuowanie turbin wiatrowych
względem kierunku wiatru i względem siebie. By farma wiatrowa najlepiej wykorzystywała
warunki wiatrowe, turbiny powinny być zwrócone w stronę głównych kierunków wiatru, a
odległość między nimi powinna wynosić od 5 do 8 średnic wirnika turbiny – zbyt blisko siebie
ustawione turbiny pozbawiają się nawzajem energii.
Wybór lokalizacji
Oceny warunków wiatrowych, panujących na danym terenie dokonuje się na podstawie co
najmniej rocznych badań wiatru, prowadzonych przy uŜyciu 40- lub 50-metrowych zestawów
pomiarowych, wyposaŜonych w trzy czujniki prędkości i w dwa czujniki kierunku. W przypadku
masztów 50-metrowych prędkość wiatru mierzy się na wysokości 50, 40 i 30 m. Innym sposobem
oszacowania zasobów energii wiatru jest wykorzystanie danych, zebranych przez lokalną stację
meteorologiczną – jeśli taka istnieje w pobliŜu planowanej elektrowni wiatrowej. Poza tym moŜna
się teŜ posłuŜyć mapami i zdjęciami lotniczymi.
By moŜna było uruchomić elektrownię wiatrową niezbędne są nie tylko odpowiednie warunki
wiatrowe, na danym terenie musi istnieć takŜe moŜliwość podłączenia do sieci energetycznej.
Kwestię podłączenia do sieci moŜna rozwiązać na dwa sposoby, bądź przez:
•
•
wykorzystanie linii średniego napięcia 15kV, co pozwala podłączyć turbinę bezpośrednio
do linii, lecz uniemoŜliwia instalowanie mocy większych, niŜ 4-6 MW,
bądź teŜ wykorzystując linię wysokiego napięcia 110kV, co umoŜliwia instalowanie
większych mocy, lecz wiąŜe się z koniecznością budowy stacji przekaźnikowej GPZ
15kV/110kV. Z praktycznego punktu widzenia podłączenie do linii wysokiego napięcia jest
opłacalne w przypadku parków wiatrowych o mocy ponad 12 MW.
Podsumowując wszystko, co do tej pory zostało powiedziane na temat warunków lokalizacji
elektrowni wiatrowej, moŜna stwierdzić, Ŝe idealną farmą wiatrową byłby zakład umiejscowiony
na duŜym obszarze morskim, złoŜony z rzędu turbin, oddalonych od siebie o około 600 m i
zwróconych w stronę głównych kierunków wiatru. Choć większość farm wiatrowych zlokalizowana
jest na lądzie, zakłady z wybrzeŜy Bałtyku i Morza Północnego coraz częściej przenoszą się na
przybrzeŜne wody morskie.
Farmy wiatrowe na morzu
Morskie farmy wiatrowe mają wiele zalet, wśród których znajduje się większa...
•
...stabilność wiatrów, umoŜliwiająca ich efektywniejsze wykorzystanie,
•
•
•
...siła wiatru na mniejszej wysokości, pozwalająca na budowę niŜszych wieŜ,
...siła wiatru w miarę oddalania się od brzegu,
...przestrzeń dla lokalizacji elektrowni wiatrowych.
Wadą morskich elektrowni wiatrowych jest konieczność budowy podwodnej sieci kablowej i
undamentów oraz przetransportowania na morze personelu i sprzętu.
Źródła:
•
•
Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, EC BREC, 2003
www.elektrownie-wiatrowe.org.pl
Oddziaływanie na środowisko
Wiatr jest odnawialnym źródłem energii. Jego wykorzystanie do produkcji elektryczności nie
powoduje zanieczyszczeń, nie przyczynia się do emisji gazów cieplarnianych, nie wiąŜe się teŜ z
eksploatacją zasobów, które prędzej czy później zostaną wyczerpane. A jednak to, tak zdawałoby się - „ekologiczne” źródło energii powoduje pewne problemy i nie pozostaje bez
negatywnego wpływu na środowisko.
Wpływ na krajobraz
Elektrownie
wiatrowe
nie
zanieczyszczają
powietrza, gleby czy wody, często się jednak mówi
o
powodowanym
przez
nie
„wizualnym
zanieczyszczeniu” środowiska. Problem ten jest tym
powaŜniejszy, Ŝe odpowiednie do budowy farm
wiatrowych obszary to nieraz turystyczne tereny
nadmorskie
bądź
górskie,
których
walory
krajobrazowe mogą trwale ucierpieć skutkiem
budowy elektrowni. Takie obawy wyraziły na
przykład samorządy z wyspy Wolin i wojewódzki
konserwator zabytków, który w 2002 roku
sprzeciwił się budowie 58 turbin wiatrowych w
Zatoce Szczecińskiej. Wybudowanie elektrowni „moŜe negatywnie odbić się na rozwoju turystyki i
sportów wodnych” – napisali wolińscy radni w uzasadnieniu swojej decyzji.
Nie wszyscy podzielają opinię o negatywnym wpływie turbin wiatrowych na krajobraz. W sondaŜu
zrealizowanym w roku 2002 wśród mieszkańców Szwajcarii 87% ankietowanych opowiedziało się
za rozwojem energetyki wiatrowej, zaś wyniki badań, przeprowadzonych w tym samym roku
przez EWEA wskazują na podobne tendencje w całej Europie. Niektórzy ankietowani określali
nawet turbiny wiatrowe jako „wspaniałe”, „majestatyczne” czy „eleganckie”.
Emisja hałasu
Poza wizualnym zanieczyszczeniem środowiska, elektrownie wiatrowe są takŜe odpowiedzialne za
zanieczyszczenie „akustyczne”, emitują bowiem hałas. Jak pokazują zebrane w tabelach dane, nie
jest to dźwięk o zbyt duŜym natęŜeniu, problemem jest raczej jego monotonia i długotrwałe
oddziaływanie na psychikę człowieka. PoniewaŜ polskie prawo wymaga, by poziom hałasu w
porze nocnej na obszarach zabudowy jednorodzinnej i terenach wypoczynkowo-rekreacyjnych
poza miastem nie przekraczał 40 decybeli, elektrownie wiatrowe lokalizuje się w odległości
minimum 500 m od zabudowy mieszkaniowej. Podobnie jak wywoływany przez turbiny wiatrowe
szum, negatywny wpływ na psychikę ludzką moŜe mieć takŜe odblask promieni słonecznych od
obracającego się wirnika i cień jego szybko poruszających się łopat.
Przykładowy rozkład natęŜenia dźwięku dla elektrowni wiatrowej
Odległość od
turbiny
[m]
200
250
NatęŜenie hałasu
dla turbiny o mocy 600
kW
[dBA]
46,5
44,4
NatęŜenie hałasu
dla turbiny o mocy 1650
kW
[dBA]
47,0
44,9
300
500
42,7
37,4
43,2
37,9
Dla porówniania warto znać inne poziomy natęŜenia dźwięków:
•
•
•
•
szept - 20 dB,
wnętrze domu - 50 dB,
wnętrze samochodu - 70 dB,
młot pneumatyczny - 120 dB.
ZagroŜenie dla ptaków
Kolejnym problemem, związanym z budową elektrowni wiatrowych jest zagroŜenie, jakie ich
praca stwarza dla ptaków i – na przykład – nietoperzy, które lecąc mogą wejść w kolizję z
turbiną. Kolizja taka jest tym prawdopodobniejsza, Ŝe celem zwiększenia efektywności pracy
elektrowni turbiny wiatrowe lokalizuje się często w miejscach występowania prądów
powietrznych, wykorzystywanych takŜe przez migrujące ptaki. Mówiąc o niebezpieczeństwie,
stwarzanym przez farmy wiatrowe dla ptaków, trzeba jednak pamiętać, Ŝe o wiele większe
zagroŜenie stanowi dla nich energetyka konwencjonalna. KaŜdego roku miliony ptaków giną,
wchodząc w kolizję z konwencjonalnymi elektrowniami, platformami wiertniczymi czy
napowietrznymi liniami energetycznymi. Rozlewnia oleju na Alasce spowodowała śmierć tysiąc
razy większej liczby ptaków, niŜ praca kalifornijskich parków wiatrowych, a konwencjonalna
elektrownia na Florydzie w ciągu jednej nocy uśmierciła 3000 migrujących ptaków. Ptakom i
innym zwierzętom szkodzą takŜe produkowane przez energetykę konwencjonalną
zanieczyszczenia.
By zmniejszyć śmiertelność ptaków, spowodowaną kolizjami z turbinami wiatrowymi, stosuje się
specjalne oznakowanie, zwiększające widoczność elektrowni, a nowe elektrownie lokalizuje się z
dala od tras migracyjnych ptaków. Na etapie badań jest wykorzystanie sygnałów radiowych,
których emisja mogłaby odstraszać ptaki z terenu elektrowni.
Źródła:
•
www.elektrownie-wiatrowe.org.pl