Farmy wiatrowe - rozwiązanie dla energetyki lokalnej (cz. 1)

prof. Andrzej Chochowski
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie

Publikacja z 2008 r.

Wstęp

Energetyka wiatrowa rozwijająca się ostatnio bardzo dynamicznie, przestaje być propozycją rozwiązania problemów energetycznych wsi, a nabrała istotnego znaczenie dla elektroenergetyki zawodowej. Słabo rozwinięta infrastruktura elektroenergetyczna i pozbawiona tradycyjnych źródeł energii, np. północno-wschodnia część Polski, może być wspomagana farmami wiatrowymi. W Polsce już ponad 200 MW mocy zainstalowanej jest w siłowniach wiatrowych i wciąż ich przybywa. Dla krajowego systemu elektroenergetycznego to niewiele, ale dla zaspokojenia lokalnych potrzeb to znacząca ilość.

Energetyka lokalna jest miejscem wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE), których rolą jest wspomaganie obszarów słabo zabezpieczonych tradycyjnymi nośnikami energii. OZE oprócz oczywistych zalet (tania eksploatacja) posiadają istotne wady: gęstość energii z jednostki objętości jest niewielka, duża sezonowość i zawodność występowania, nierównomierny rozkład w czasie. Moce urządzeń przetwarzających OZE w porównywaniu z mocami urządzeń energetyki tradycyjnej są dużo mniejsze. Moc turbogeneratora w elektrowni konwencjonalnej standardowo wynosi 200 MW, a jedna duża siłownia wiatrowa ma moc 2 MW. Oznacza to, że w miejsce jednego turbogeneratora potrzeba aż 100 wiatraków i kilkudziesięciu hektarów powierzchni. Oczywiście pod warunkiem wiatru o dostatecznie dużej prędkości. Dlatego tradycyjne źródła energii długo jeszcze będą odgrywały priorytetową rolę, a w ocenie potencjalnych możliwości wykorzystania różnych źródeł energii, w tym odnawialnych, należy mieć właściwą skalę odniesienia. Z innej pozycji należy rozpatrywać budowę elektrowni konwencjonalnej i widzieć jej rolę dla systemu elektroenergetycznego, a z innej budowę elektrowni wiatrowej, ciepłowni geotermalnej, czy budowę słonecznych instalacji grzewczych – dobrze spełniających swoje funkcje na poziomie energetyki lokalnej, zwanej też rozproszoną. Nazwa związana jest z dużą ilością rozproszonych źródeł wytwórczych małej mocy, instalowanych w zależności od ich potencjalnych możliwości i potrzeb odbiorców. Jako górną granicę dla obiektów energetyki rozproszonej wymienia się wartości mocy zainstalowanej po stronie elektrycznej w zakresie od 1 do 50 MW. Na rynku energetyki lokalnej wyróżnia się podział na źródła:

• małe - o mocy na poziomie 1-5 MW (np. MEW – małe elektrownie wodne o mocy do 5 MW, elektrownie wiatrowe o mocy 1,5-2 MW)
• mini - o mocach w granicach 500 kW (np. małe elektrownie wiatrowe),
• mikro - o mocy poniżej 20 kW (np. instalacje geotermii płytkiej, słoneczne instalacje grzewcze). 

W Polsce obserwowany jest od kilku lat wyraźny wzrost zainteresowania zastosowaniem rozproszonych źródeł energii, w tym farm wiatrowych, głównie w kontekście poprawy lokalnego bezpieczeństwa energetycznego, a energetyka wiatrowa rozwija się wyjątkowo prężnie.

Farmy wiatrowe - turbiny wiatrowe

Technologia pozyskiwania energii wiatrowej znana jest od setek lat, chociaż ostatnie 30 lat to czas dynamicznego rozwoju konstrukcji i ich doskonalenie. Przyczyniły się do tego problemy energetyczne świata i zwrócenie uwagi na możliwości większego wykorzystania wiatru w produkcji energii elektrycznej. Elektrownie wiatrowe są jedną z liczących się technologii energetyki odnawialnej pod względem uzyskiwanych mocy. Mogą one pracować na sieć wydzieloną, ale obecnie o wiele częściej pracują bezpośrednio włączone w system elektroenergetyczny. Elektrownia taka składa się z turbiny wiatrowej sprzęgniętej poprzez skrzynię przekładniową z generatorem prądotwórczym.

Podstawowym kryterium doboru turbiny wiatrowej do panujących warunków wiatrowych jest wielkość średniorocznej prędkości wiatru (co najmniej 4 m/s). Wskazane jest, aby prędkość wiatru, przy której turbina uzyskuje znamionową moc była skorelowana ze średnioroczną prędkością wiatru w miejscu lokalizacji turbiny - farmy wiatrowej. Z dużej oferty rynkowej należy wybrać turbiny wiatrowe spełniające to założenie, uwzględniając, że wybór odpowiedniej wysokości wieży, na której będzie zainstalowana turbina ostatecznie decyduje w jakich warunkach wiatrowych będzie pracowała turbina (prędkość wiatru wzrasta z wysokością).

Producenci turbin dla farm wiatrowych w swojej ofercie mają turbiny, które zoptymalizowane są do pracy przy znamionowej prędkości wiatru vn=11 - 17 m/s. Ponadto producenci standardowo proponują różne wysokości wieży w zależności od mocy turbiny od 60 do 110 m.  Zazwyczaj im większa moc turbiny tym większa średnica wirnika turbiny (rys. 1), a co za tym idzie wzrasta wysokość wieży, na której zainstalowana jest turbina. Ważnym parametrem turbiny wiatrowej jest minimalna prędkość wiatru przy której wirnik turbiny zaczyna się obracać (prędkość startowa turbiny), od niej bowiem zaczyna się produkcja energii. Im niższa jest prędkość startowa turbiny tym lepiej ze względu na ilość produkowanej energii. Wszędzie tam gdzie średnioroczna prędkość wiatru nie jest zbyt wysoka (4-5 m/s) najlepszymi turbinami są  turbiny o niskiej prędkości startu. Obecnie produkowane turbiny wiatrowe charakteryzują się prędkościami startowymi w przedziale od 2 do 5 m/s.

Rys. 1 Średnice wirników turbin o określonej mocy

Turbiny siłowni wiatrowej w zależności od osi obrotu wirnika wyróżnia się jako poziome HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines) i pionowe VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines) - występujące już raczej jako historyczne rozwiązania. Siłownie o pionowej osi obrotu produkowane były z wirnikiem Darrieus’a z 2 lub 3 łopatami w kształcie litery C. Ich zaletą było to, że pracowały już przy bardzo małej prędkości wiatru (1,5 m/s), co pozwalało praktycznie na ograniczenie wysokości wieży, na której były instalowane, do kilku metrów. Generator i skrzynię przekładniową stawiano bezpośrednio na ziemi, upraszczało to obsługę. Wadą tej konstrukcji była potrzeba wstępnego rozruchu turbiny. Dlatego do wstępnego napędzania wykorzystywany był napęd elektryczny lub na osi obrotu turbiny umieszczano dodatkowy rotor wspomagający rozruch (tzw. Savoniusa). Jednak wiatr tuż nad ziemią jest na tyle mały, że efektywność takich konstrukcji była niezadowalająca. Obecnie w farmach wiatrowych nie spotyka się już takich rozwiązań.

Literatura

1. Woś A.: Klimat Polski. Wyd. PWN Warszawa 1999
2. Lubośny Z.: Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. Wyd. WNT Wrszawa 2007
3. Ustawa Prawo energetyczne z dnia 10 kwietnia 1977 roku, dz.u. 1997 nr 54 poz.348, nowelizacja dz.u. 2005r. nr. 62 poz.552
4. Pakiet informacyjny dla przedsiębiorstw  zamierzających prowadzić działalność gospodarczą polegającą na wytwarzaniu energii elektrycznej w odnawialnych źródłach energii. URE Warszawa, październik 2006
5. Polityka Energetyczna Polski do 2025 roku. Rozp. Min. Gospodarki  z dnia 1 lipca2005
6. Praca zbiorowa: Perspektywy produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w Rolniczych Zakładach Doświadczalnych SGGW. SGGW Warszawa czerwiec 2007r.