Energia wiatru powstaje na skutek różnicy temperatur mas powietrza, spowodowanej nierównym nagrzewaniem się powierzchni ziemi. Samo zjawisko wiatru można opisać jako ruch powietrza wytworzony przez różnice gęstości ogrzanych promieniowaniem słonecznym mas powietrza, które przemieszczają się ku górze. Poza słońcem na to zjawisko ma wpływ również ruch wirowy ziemi. Zasoby wiatru są stale odnawialne, jednak charakteryzują się dużą zmiennością w czasie są uwarunkowane terytorialnie, a na jego charakterystykę ma wpływ również lokalne ukształtowanie terenu.
Do konwersji energii wiatru na energię mechaniczną, a następnie elektryczną służą elektrownie wiatrowe.
Ze względu na oś obrotu turbiny wiatrowe można podzielić na:
- poziome – HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine),
- pionowe – VAWT (Vertical Axis Wind Turbine).
Istnieje też wiele innych systemów klasyfikacji elektrowni wiatrowych.
Zalety i wady elektrowni wiatrowych przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Zalety i wady elektrowni wiatrowych
| Elektrownie wiatrowe (on shore) | |
|---|---|
| Zalety | Wady |
| Brak emisji zanieczyszczeń | Konieczność odpowiednich warunków geograficznych |
| Brak odpadów | Wysokie nakłady inwestycyjne |
| Nowe miejsca pracy | Wysoki poziom hałasu |
| Możliwość budowy na nieużytkach (pustynie, wybrzeża) | Zagrożenie dla ptaków |
| Najczystsza i najtańsza technologia energetyczna (z uwzględnieniem całego cyklu życia urządzeń) | Negatywny wpływ na walory turystyczne rejonu |
| Oszczędność paliw kopalnych | |
| Poprawa samowystarczalności energetycznej kraju | |
| Morskie elektrownie wiatrowe (off shore) | |
| Większa stabilność, przewidywalność oraz siła wiatru na morzu | Wyższy koszt inwestycji – w porównaniu z elektrowniami lądowymi |
| Niezajmowanie terenów lądowych | Trudność realizacji inwestycji |
| Małe elektrownie wiatrowe lądowe | |
| Możliwość instalacji na terenie całego kraju | Złożony przebieg załatwiania formalności |
| Łatwość instalacji | Wysokie podatki (dzierżawa, podatek od nieruchomości |
| Stosunkowo krótki okres realizacji instalacji | Konieczność stosowania akumulatorów ze względu na cykliczność pracy |
| Znacznie niższy koszt instalacji – w porównaniu z zawodowymi elektrowniami wiatrowymi | |
| Brak negatywnego wpływu na krajobraz (zwłaszcza te o osi pionowej) | |
| Duża ilość możliwych zastosowań (m.in. stacje nadajnikowe, jachty) | |
Źródło: opracowanie własne na podstawie: Lewandowski W., Proekologiczne odnawialne źródła… oraz Soliński I., Soliński B., Ostrowski J., Energia wiatru…
Budowa i zasada działania elektrowni wiatrowej
Istotą działania elektrowni wiatrowej jest przemiana energii kinetycznej wiatru na energię elektryczną. Elektrownia wiatrowa składa się z wirnika i gondoli osadzonych na pionowej wieży (rys. 1.). Najważniejszą część elektrowni wiatrowej stanowi wirnik, który pod wpływem strumienia napływającego powietrza wprawiany jest w ruch obrotowy. Obracający się wirnik przez wał wolnoobrotowy przekazuje energię do przekładni. Wirnik obraca się z prędkością od kilku do kilkudziesięciu obrotów na minutę, podczas gdy typowy generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min. Dlatego też konieczne jest zastosowanie przekładni, której zadaniem jest zwiększenie prędkości obrotowej. Energia mechaniczna z przekładni jest przekazywana do generatora za pomocą wału szybkoobrotowego. Generator wytwarza energię elektryczną, zwykle o napięciu 690 V. Za pomocą transformatora umieszczonego w gondoli napięcie to jest podwyższane do napięcia średniego (zwykle od 20 kV do 40 kV). Dalej system przewodów łączy turbinę wiatrową ze stacją transformatorową podwyższającą napięcie do poziomu 110 kV, co zapewnia minimalizację strat energii przy przesyle na większe odległości w sieci dystrybucyjnej.
Rys.1. Schemat elektrowni wiatrowej
Źródło: windnet.pl (17.12.2017)
Można wyróżnić wiele kryteriów klasyfikacji turbin wiatrowych, m.in. ze względu na:
- ustawienie osi obrotu wirnika,
- wartość mocy, jaką można uzyskać z elektrowni wiatrowej,
- typ zastosowanego generatora prądotwórczego,
- sposób regulacji mocy obrotowej,
- prędkości rozpoczęcia pracy,
- liczbę łopat.
Ze względu na ustawienie osi obrotu wirnika wyróżniamy konstrukcje o poziomej osi obrotu (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine) i pionowej osi obrotu (VAWT – Vertical Axis Wind Turbine). Turbiny o poziomej osi obrotu są obecnie bardziej rozpowszechnione niż te z pionową osią obrotu.
Rys. 2. Turbina Savonius’a
Źródło: tecnobloc.com/aeroturbines-savonius (12.01.2018)
Technologia elektrowni wiatrowych o pionowych osiach obrotu VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbine) przez wiele lat była dość słabo rozwijana, przez co elektrownie tego typu stanowią niewielki procent pracujących obecnie instalacji. Przez ich ograniczenia inżynierskie są one budowane jako małe elektrownie wiatrowe i zalicza się je do tzw. małej lub przydomowej energetyki wiatrowej. Większość konstrukcji oparta jest na:
- wirniku Savoniusa (rys. 2),
- wirniku Darrieusa, (rys. 3),
- rotorze typu H,
- wirniku świderkowym.
Rys. 3. Rotor Darrieu’sa
Żródło: instsani.pl/535/silownie-wiatrowe-o-pionowej-osi-obrotu (12.01.2018)
Natomiast podstawowymi elementami elektrowni wiatrowej o poziomej osi obrotu (HAWT) są: wieża, gondola i wirnik. Elementem turbiny wiatrowej przekształcającym energię wiatru na energię mechaniczną, jest wirnik. Ze względu na liczbę łopat wydziela się:
- wirniki jednopłatowe,
- wirniki dwupłatowe,
- wirniki trójpłatowe,
- wirniki wielopłatowe.
Pod względem zastosowanych generatorów możemy wyróżnić: elektrownie z przekładnią i generatorem asynchronicznym oraz elektrownie bezprzekładniowe z generatorem synchronicznym.
Elektrownie posiadające generator asynchroniczny wysokoobrotowy (750 i 1500 obr/min) i przekładnię (60) są proste w konstrukcji i można nimi w sposób łatwy sterować. Stosuje się w nich dwa typy maszyn asynchronicznych (klatkowe i pierścieniowe):
- maszyna asynchroniczna klatkowa – wirnik elektrowni wiatrowej pracuje ze stałą prędkością obrotową (system o stałych obrotach); elektrownia może wtedy być bezpośrednio przyłączona do sieci energetycznej;
- maszyna asynchroniczna pierścieniowa – istnieje możliwość pracy z różną prędkością wirowania, dzięki wykorzystaniu przekształtników energoelektronicznych sterujących prądem wirnika (maszyny tzw. dwustronnie zasilane), są one w sposób pośredni przyłączane do sieci (z przetwarzaniem AC/DC-DC/AC – i pracują w trybie zmiennoobrotowym).
W celu zwiększenia efektywności energetycznej elektrowni z przekładnią i generatorem asynchronicznym stosuje się:
- generatory asynchroniczne o zmiennej (regulowanej) liczbie par biegunów (2 i 3 parach biegunów),
- dwa niezależne generatory (mały – 750 obr/min, pracujący przy niższych prędkościach wiatru i duży – 1500 obr/min pracujący przy wyższych prędkościach wiatru).
Z kolei, w elektrowniach bezprzekładniowych z generatorem synchronicznym (zmiennoobrotowe), stosuje się generator wolnoobrotowy synchroniczny, który nie jest bezpośrednio łączony z systemem elektroenergetycznym (pośrednie przyłącze do sieci odbiorczej), a w tym celu wykorzystuje się przekształtnik energoelektroniczny. Wirnik generatora jest bezpośrednio (bez przekładni) połączony z wirnikiem turbiny. Stosuje się generatory synchroniczne specjalnej konstrukcji z dużą liczbą par biegunów (40). Zmienna prędkość wirnika turbiny wpływa na zmianę częstotliwości napięcia na szynach generatora.
Zaletami tego typu konstrukcji są m.in:
- wyeliminowanie hałaśliwej i skomplikowanej przekładni,
- mniejsze straty energii mechanicznej,
- mniejsza liczba ruchomych części,
- cichsza praca i prostsza konstrukcja.
Kolejnym aspektem jest regulacja elektrowni w stosunku do kierunku wiatru, polegająca na zmianie ustawienia gondoli w kierunku wiatru (yaw control). W przypadku regulacji aktywnej, w elektrowniach o dużych mocach, obrót gondoli w kierunku prostopadłym do kierunku wiejącego wiatru odbywa się za pomocą napędu silnikowego. W elektrowniach o mniejszych mocach stosuje się regulację pasywną za pomocą specjalnej chorągiewki kierunkowej (rys. 4.), która ustawia gondolę w wymaganym kierunku.
Rys. 4. Mała elektrownia przydomowa z regulacją pasywną
Źródło: ekotaniej.pl/turbina-wiatrowa-przydomowa-sh-1kw-hwt1000 (12.01.2018)
