Produkcja energii elektrycznej z wiatru

Energia wiatru w gospodarce energetycznej jest przekształcana na energię mechaniczną, która napędza łopatki śmigieł wirnika. W efekcie zostaje wprawiona w ruch prądnica, a dzięki niej generowany jest prąd elektryczny. Energię elektryczną w mikroinstalacjach możemy produkować na terenie niemal całej Polski. W przypadku dużych instalacji korzystne warunki występują jedynie w niewielkiej części naszego kraju.

Energia wiatru

Wiatr to ruch powietrza spowodowany gradientem ciśnienia, który jest związany z różną gęstością powietrza w poszczególnych częściach globu (ma to związek z różną temperaturą lądów, mórz i oceanów). Siła Coriolisasprawia, że na naszych terenach przeważają wiatry zachodnie. Prędkość wiatru w Polsce wynosi od 3,5 do 5,5 m/s. Przyjmuje się, iż granica opłacalności małych turbin wiatrowych wynosi 4 m/s, a w przypadku elektrowni wiatrowych 5,5 m/s. Energia wiatru jest wprost proporcjonalna do 3. potęgi jego prędkości. Przyjmuje się, że przy powierzchni gruntu, ze względu na tarcie, prędkość jest równa zeru. Około 75% energii kinetycznej przypada na wiatry wiejące powyżej 100 m, a 25% – poniżej. W Polsce jedynie na niektórych terenach można stosować elektrownie wiatrowe, na większości obszarów są spotykane tylko małe turbiny.

Zasoby energii wiatrowej w Polsce

Warunki wiatrowe w Polsce cechują się dużą zmiennością oraz brakiem wysokich średniorocznych prędkości w porównaniu z krajami o doskonałych warunkach wietrznych (m.in. Wielka Brytania, Holandia, Dania). Na podstawie badań IMGW przedstawiono 3 obszary wietrzności w Polsce:

• Za rejony uprzywilejowane uważa się obszary, w których średnioroczna prędkość wiatru jest większa niż 5 m/s. Na tych terenach powinny być budowane elektrownie oraz farmy wiatrowe. Obszary te to: część Suwalszczyzny, okolice przylądka Rozewie oraz Wybrzeże Słowińskie od Świnoujścia po Hel.
• Za rejony o średnich warunkach wiatrowych można uznać: wschodnią część Kotliny Sandomierskiej, Beskid Śląski i Żywiecki oraz Nizinę Mazowiecką. Na tych obszarach średnioroczna prędkość wiatru przekracza 4 m/s.
• Na pozostałych terenach, gdzie średnioroczna prędkość wiatru jest mniejsza niż 4 m/s, budowa elektrowni wiatrowych jest mało opłacalna.

Zasada działania elektrowni wiatrowych

Wiatr opływa łopatki turbiny, na której dzięki specjalnemu wyprofilowaniu powstaje siła nośna. Wprawia ona w ruch obrotowy turbinę. Energia obrotowa wirnika za pomocą wału i przekładni jest przekazywana do generatora, który zamienia ją w energię elektryczną. W elektrowniach wiatrowych wykorzystuje się głównie generatory indukcyjne klatkowe (jedno- lub dwubiegowe, pierścieniowe), synchroniczne (wolno- lub szybkoobrotowe). W elektrowniach o najwyższej mocy zazwyczaj stosowane są prądnice synchroniczne, natomiast w elektrowniach o małej mocy indukcyjne jednobiegowe. Generatory zamieniają energię mechaniczną na energię elektryczną przy stałej lub zmiennej prędkości obrotowej wału silnika. Generatory indukcyjne pracują z niemal stałą prędkością obrotową. Podczas ich pracy wymagane jest zastosowanie rozruszników, regulacji kąta natarcia łopatek silnika wiatrowego oraz kompensacji mocy biernej. Wykorzystanie zmiennej prędkości obrotowej daje lepszy zysk energii, ale wówczas konieczne staje się sterowanie kątem natarcia łopatek. W generatorach synchronicznych stosuje się przekształtnik i układ regulacji wzbudzenia.

Przegląd turbin wiatrowych

Siłownie wiatrowe są konstrukcjami bardzo do siebie podobnymi. Zwykle mają trójpłatowy wirnik, rzadziej dwu- lub jednopłatowy. Średnica wirnika dla standardowej siłowni o mocy 600 kW wynosi od 43 do 48 metrów. Minimalna wysokość wieży, na której zamocowana jest gondola, wynosi 40 m, istnieją jednak przypadki, w których wysokość ta jest równa prawie 100 m. Współcześnie możemy spotkać następujące rodzaje silników wiatrowych:

• Bębnowy,
• Karuzelowy,
• Rotorowy Savoniusa,
• Wielopłatowy,
• Darrieusa,

Ze względu na moc wyróżniamy 3 rodzaje elektrowni wiatrowych:

• Mikroinstalacje wiatrowe – mają moc mniejszą niż 100 W i służą głównie do zasilania małych urządzeń elektronicznych.
• Małe elektrownie wiatrowe – generują moc od 100 W do 50000 W. Mogą zasilać domy jednorodzinne oraz małe zakłady produkcyjne.
• Duże elektrownie wiatrowe – wytwarzają ponad 100 kW mocy. Wyprodukowaną moc najczęściej oddają do sieci energetycznej.

Ograniczenia wykorzystania energii elektrycznej produkowanej przez turbiny wiatrowe

Korzystanie z energii elektrycznej produkowanej przez elektrownie wiatrowe nie jest pozbawione wad. Ograniczenia wynikające z wykorzystania tak powstałej energii wynikają m.in. z tego, że:

• okresowy brak wiatru powoduje, że układy, w których wykorzystuje się moc wytworzoną przez turbiny wiatrowe, muszą być podłączone do akumulatorów energii elektrycznej lub do alternatywnego źródła wytwarzania energii elektrycznej (np. sieci energetycznej);
• dochodzi do dużych strat w przypadku zasilania z prądnic napędzanych turbinami wiatrowymi. Sytuacja ta ma miejsce zwłaszcza w wiejskich sieciach energetycznych rozciągniętych na duże odległości, w których napięcie najczęściej wynosi tylko 15 kV;
• turbiny wiatrowe często są zlokalizowane w odległych ośrodkach wiejskich, na morzu, różnego rodzaju nieużytkach. Zapotrzebowanie na energię elektryczną na tego typu obszarach nie wymaga wielkich mocy elektrycznych.

Wady i zalety siłowni wiatrowych

Elektrownie wiatrowe, jak każde inne rozwiązanie techniczne, ma wady i zalety. Oto lista zalet tego typu zakładu energetycznego:

• energia wiatru jest bezpłatna (oszczędzanie surowców nieodnawialnych);
• szybki zwrot inwestycji w przypadku elektrowni usytuowanych na terenach o doskonałych warunkach wietrznych;
• produkcja nie zależy od pory dnia, a jedynie od warunków wietrznych;
• nie zanieczyszcza środowiska naturalnego, brak spalania i emisji gazów do atmosfery;
• częściowe uniezależnienie od dostawców prądu;
• elektrownie mogą być budowane na nieużytkach (zlokalizowanych na pustyni, wybrzeżu, skałach);
• zapewniają nowe miejsca pracy;
• rozwój nowych technologii w obszarze energetyki wiatrowej.

Do wad możemy zaliczyć:

• wysokie wstępne koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne, przez co energia pozyskiwana z wiatru nie należy do najtańszych;
• ze względu na brak stabilności pracy, wymagają stosowania akumulatorów energii;
• mogą być źródłem nadmiernego hałasu;
• potężne elementy, z których zbudowana jest elektrownia, w razie uszkodzenia lub oderwania mogą stanowić ogromne zagrożenie;
• efekt stroboskopowy spowodowany poruszaniem się łopat turbin w blasku słońca;
• wytwarzają pole elektromagnetyczne.