Duże turbiny wiatrowe z pionową osia obrotu - obiecująca innowacja

Transkrypt

1 Duże turbiny wiatrowe z pionową osia obrotu - obiecująca innowacja Andrzej Bielecki, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej, AGH 1. Wstęp Fakt, że energii elektrycznej nie da się magazynować na skalę przemysłową jest jednym z najistotniejszych wyróżników energetyki jako gałęzi przemysłu. Na obecnym etapie rozwoju magazynowanie energii w innej formie, np. w formie energii potencjalnej wody w zbiorniku wodnym elektrownie szczytowo-pompowe [GG, JW] jest jedynie częściowym rozwiązaniem, które nie rozwiązuje problemu magazynowania energii elektrycznej w skali kraju. W związku z powyższym problemem poszukuje się różnych rozwiązań. Jednym z doraźnych jest wypracowanie skutecznej metodyki predykcji na zapotrzebowanie na energię w skali kraju [BB, HB, HP, TO, KW, MS, MR, SS, XW, We]. Dzięki takiej metodyce możliwe jest zaplanowanie produkcji energii w horyzoncie dobowym z rozdzielczością 15 minut jest to obecny standard, a stosowane algorytmy dokonują predykcji z błędem MAPE (mean absolute percentage error średni bezwzględny błąd procentowy) ok. 1.5%. Bardziej perspektywiczne jest tworzenie wysp energetycznych małych obszarów samowystarczalnych energetycznie. W tym kontekście próbuje się również zdywersyfikować produkcję energii elektrycznej. Każdy sposób produkcji ma swoje zalety i wady. Przykładowo produkcja energii w elektrowniach termalnych jest przewidywalna i w związku z tym można ja łatwo zaplanować. Elektrownie tego typu mają jednak dużą bezwładność na ogół potrzebny jest czas rzędu godzin, aby zmniejszyć lub zwiększyć produkcję o kilka procent. Elektrownie wiatrowe, z kolei, mają bardzo małą bezwładność ale też małą przewidywalność związaną z tym, że trudno jest przewidzieć warunki wiatrowe. Dodatkowym problemem energetyki jest jej wpływ na człowieka, infrastrukturę, środowisko naturalne oraz skutki ewentualnych awarii [BK, Ja, YG, EE]. Podsumowanie wspomnianych czynników przedstawia Tabela 1. Przedstawione czynniki, jak również kilka innych, przede wszystkim ekonomicznych, powodują, że alternatywne źródła energii, w tym energia odnawialna, w szczególności energia czysta, tzn. nie powodująca zanieczyszczeń środowiska podczas produkcji, jawi się jako atrakcyjna alternatywa dla elektrowni cieplnych i jądrowych. Jedynymi czystymi źródłami energii jest energia słoneczna, wiatrowa i geotermalna nie wymagająca odwiertów. W krajach Unii Europejskiej dodatkowym bodźcem do rozwoju energetyki odnawialnej są dyrektywy unijne (np. dyrektywa UE 2001/77/EC) dotyczące

2 Typ elektrowni Wpływ na zdrowie Uciążliwość Wpływ na infrastrukturę Wpływ na środowisko naturalne Jądrowe Narażenie obsługi Skażenie środowiska elektrowni na wyeksploatowanymi odpadami długotrwałe dawki promieniotwórczymi. promieniowania Cieplne węglowe Narażenie układu oddechowego na zanieczyszczenia będące produktem spalania SO2, CO2, pył węglowy, minimalizowane w nowoczesnych elektrowniach Smog Niszczenie infrastruktury przez kwaśne deszcze. Skażenie powietrza, powierzchni ziemi i gleby przez produkty spalania. Skutki awarii Cieplne gazowe Znikomy Znikomy Znikomy Znikomy Lokalne Geotermalne naturalne Geotermalne powstałe w wyniku odwiertów Możliwy negatywny wpływ na tereny uprawne związany z możliwością skażenia gleby solanką w czasie Możliwość skażenia gleby solanką w trakcie odwiertów. odwiertów Wodne - zapory Zabagnienie terenów przylegających do zbiornika. Możliwy negatywny wpływ spowodowany lokalnym wzrostem wilgotności. Uwalnianie metanu do atmosfery, wpływ na zmianę struktury fauny i flory w rzece, na której zbudowana jest zapora oraz w okolicach zbiornika. Globalne - wzrost radioaktywności w skali globalnej negatywny wpływ na środowisko naturalne i ludzkie zdrowie. Regionalne Regionalne związane z ewentualnym zalaniem znaczących obszarów.

3 Słoneczne - heliotermiczne Słoneczne - helioelektryczne Wiatrowe Możliwy negatywny wpływ infradźwięków, hałasu i refleksów świetlnych. Zajęcie dużej powierzchni Zajęcie dużej powierzchni Zajęcie dużej powierzchni, pewien poziom hałasu (zwłaszcza w przypadku turbin starszego typu) i refleksy świetlne z obracających się wirników. Skoncentrowana wiązka światła może być niebezpieczna dla ptaków bezpośredniego wpływu. Możliwe, na razie nierozpoznane, problemy związane z utylizacją zużytych ogniw. Negatywny wpływ - kolizje przelatujących ptaków z wirnikami turbin, generowane drgania gruntu mogą mieć negatywny wpływ na okoliczną faunę. Pozytywny wpływ w przypadku turbin posadowionych na szelfie fundamenty turbin tworzą sztuczne siedliska dla zwierząt i roślin przyczyniając się do lokalnego wzrostu bioróżnorodności.

4 obowiązku stopniowego zwiększania udziału energetyki odnawialnej w państwach członkowskich - [Bo], rozdział Specyfika energetyki wiatrowej Szacuje się, że zasoby energii wiatru na kuli ziemskiej znacznie przekraczają aktualne globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną - [Ty], rozdział 3. Problem polega na możliwości ich wykorzystania. Obecnie, energia wiatru jest przetwarzana w skali przemysłowej na energię elektryczną w farmach wiatrowych, w których eksploatuje się duże turbiny wiatrowe z poziomą osią obrotu. Przedział prędkości wiatru, w którym może pracować taka turbina jest stosunkowo wąski. Zależy on, oczywiście, od typu turbiny, jednak dla dużych turbin z poziomą osią obrotu minimalna prędkość wiatru który jest w stanie wytworzyć dostatecznie duży moment obrotowy wynosi ok. 6 m/s, natomiast maksymalna prędkość, powyżej której nastąpi uszkodzenie turbiny wynosi mniej więcej 25 m/s. Dlatego też umiejscowienie farmy wiatrowej wymaga dokładnych pomiarów wiatru w miejscu planowanego posadowienia farmy. Ze względu na sezonowość warunków wiatrowych występującą w cyklu rocznym, badania takie muszą być przeprowadzone co najmniej w rocznym horyzoncie czasowym. W Polsce sytuację ułatwia nieco fakt, że krajowa mapa warunków wiatrowych została opracowana przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej na podstawie danych z lat [Lo]. Oprócz średnich warunków wiatrowych w dłuższym horyzoncie czasowym, np. w skali roku, niezbędne jest też przewidywanie warunków wiatrowych w horyzoncie kilku godzin, co jest związane ze wspomnianą koniecznością planowania produkcji energii elektrycznej w skali kraju w horyzoncie dobowym. Precyzyjne przewidywanie warunków wiatrowych jest trudne, co jest jedną z przyczyn tego, że w praktyce wykorzystanie energii wiatrowej jest kłopotliwe. Kolejną specyfiką farm wiatrowych jest rozkład kosztów. Posadowienie farmy wiatrowej jest relatywnie tanie (w porównaniu z większością innych typów elektrowni) natomiast bardzo wysokie koszty generują remonty i naprawy. Dlatego też w tego typu elektrowniach monitoring odgrywa olbrzymie znaczenie [Bi, HH, Ku]. Istotny negatywny wpływ na trwałość układu mechanicznego turbiny wiatrowej ma fakt, że prędkość wiatru zmienia sie w sposób chaotyczny [Ba] por. Rys.1. Chaotyczne zmiany prędkości wiatru powodują chaotyczne obciążenia całego mechanicznego układu turbiny wiatrowej. Bezpośrednim dowodem występowania takiego obciążenia jest fakt, że moc generowana na generatorze turbiny również ma przebieg chaotyczny por. Rys.2. Oznacza to, że chaotyczne obciążenia,

5 generujące z kolei chaotyczne naprężenia, są przenoszone wzdłuż całego układu napędowego turbiny wiatrowej. Powoduje to istotne problemy eksploatacyjne. Rys.1. Prędkość wiatru jako funkcja czasu. Rys.2. Moc generowana przez turbinę jako funkcja czasu. 3. Turbiny wiatrowe z poziomą osią obrotu Duże turbiny wiatrowe z poziomą osią obrotu mają istotne wady, które powodują, że ich eksploatacja jest kłopotliwa. Należą do nich:

6 Rys.3. Schemat mechanicznego układu turbiny wiatrowej z poziomą osią obrotu wraz z typową lokalizacją czujników drganiowych do celów wibrodiagnostycznych: A1-A6. (a) stosunkowo wąskie okno wiatrowe, w szczególności brak możliwości pracy przy niższych prędkościach wiatru rzędu 3-5m/s, (b) emisja hałasu przez pracującą turbinę, (c) zależność pracy turbiny od kierunku wiatru, (d) zakłócanie sygnałów radiowych, telewizyjnych i radarowych, (e) złożony układ mechaniczny, wrażliwy na uszkodzenia. Omówmy szerzej ostatni wyspecyfikowany punkt. Na Rys.3 pokazany jest schemat układu mechanicznego dużej turbiny wiatrowej z poziomą osią obrotu. Ma ona co najmniej dwie przekładnie. Jak już wspomniano, układ napędowy przenosi chaotyczne obciążenia generowane przez chaotycznie zmienny wiatr. Skutkuje to powstaniem naprężeń, których chaotyczny charakter został uwzględniony dopiero niedawno [Ba]. Jest to przyczyną znacznie mniejszej żywotności turbin niż planowana przez producenta.

7 4. Innowacyjna turbina wiatrowa z pionową osią obrotu Istotną przeszkodą w rozwoju energetyki wiatrowej w wielu krajach, w tym również w Polsce, jest fakt, że warunki wiatrowe nie są wystarczająco korzystne, aby przy obecnym stanie techniki energetyka wiatrowa była opłacalna. W Polsce na dużych obszarach średnia prędkość wiatru jest zbyt mała, aby można było eksploatować duże turbiny wiatrowe z poziomą osią obrotu. Narzucającym się rozwiązaniem są turbiny z pionową osią obrotu, które mogą skutecznie pracować przy małych prędkościach wiatru oraz odznaczają się dużą sprawnością [Bo], rozdział 5. Pod tym właśnie kątem zostały zaprojektowane przez firmę ANew Institute turbiny wiatrowe z pionową osią obrotu [AN]. Swoistym poligonem doświadczalnym była mała turbina ANew-S1 o wysokości wieży wynoszącej 15 m Rys.4. [AN,BW]. Konstrukcja turbiny bazuje na idei wirnika Darrieusa i jest zbliżona do turbin typu H-Darrieus. Od klasycznych wirników H-Darrieusa wirniki opracowane przez firmę ANew różnią się tym, że łopaty wirnika nie są proste. Największą sprawność, równą 70% turbina Rys.4. Turbina ANew-S1

8 Rys.5. Turbina ANew-B1, zaprojektowana w ANew, wykonana w firmie Stalprodukt osiąga dla prędkości wiatru wynoszącej 6 m/s, natomiast maksimum produkcji mocy, które wynosi 20 kw turbina osiąga przy prędkości wiatru 14 m/s. Skonstruowanie turbiny o dużej wydajność przy małych i średnich prędkościach wiatru było głównym celem projektantów i przytoczone dane wskazują, że cel ten został osiągnięty. Kolejnymi zaletami turbiny jest niski

9 poziom hałas podczas pracy. Ponadto, turbina nie zakłóca sygnałów radiowych, telewizyjnych i radarowych. Jak w każdej turbinie z pionową osią obrotu, jej praca nie zależy od kierunku wiatru. Kolejną, nieco większą wersją turbiny z pionową osią obrotu jest model ANew-S1m, z wirnikiem posiadającym 4 łopaty oraz typ ANew-S2 z dwupoziomowym wirnikiem, posiadającym 3 łopaty na każdym poziomie. Na bazie turbiny ANew-S1 zaprojektowano dużą turbinę ANew-B1 Rys.5 [AN]. Wysokość wieży wynosi 55m, średnica wirnika jest równa 52 m, maksymalna dopuszczalna prędkość obrotowa wynosi 16 obrotów na minutę, moc nominalna jest równa 1.5 MW. Turbina wykonana zastała przez firmę Stalprodukt w ramach NCBiRowskiego projektu Demonstrator - wsparcie badań naukowych i prac rozwojowych w skali demonstracyjnej 1. Turbina została posadowiona w Miasteczku Śląskim i obecnie trwa jej rozruch. Eksploatacja turbiny obliczona jest na 20 lat, a konieczność wymiany wirnika przewidziana jest po 10 latach pracy. Konstrukcyjne podobieństwo wirników turbin ANew- S1 i ANew-B1 pozwala żywić nadzieję, że wymienione wyżej zalety turbiny ANew-S1 zostaną zachowane w jej powiększonej wersji. Ostateczne rozstrzygnięcie przyniosą oczywiście pomiary dokonane po ostatecznym uruchomieniu turbiny. 5. Podsumowanie Na obecnym etapie rozwoju energetyki technologie pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych wciąż jeszcze wiążą się z wysokimi nakładami związanymi z niezbędnymi badaniami naukowymi, które są potrzebne, aby źródła te uczynić ekonomicznie i technologicznie konkurencyjnymi dla energetyki konwencjonalnej i jądrowej. Z drugiej strony, problemy związane z katastrofalnym zanieczyszczeniem środowiska i zmianami klimatycznymi zachęcają, a nawet wymuszają inwestowanie w czystą energetykę. W Unii Europejskiej skonstruowano ramy prawne, które wymuszają rozwój energetyki w państwach członkowskich. Pozwala to żywić nadzieję, że bariery w rozwoju energetyki wiatrowej zostaną przełamane. Do najważniejszych z nich należy aktualna struktura energetyki, np. w Polsce opartej na energetyce węglowej oraz bariery finansowe dotyczące wysokich kosztów inwestycyjnych. Wydaje się jednak, że widniejąca na horyzoncie nowa struktura energetyki jako takiej, opartej m.in. na rozproszeniu produkcji energii w oparciu o tzw. wyspy energetyczne będzie sprzyjać wdrażaniu rozwiązań innowacyjnych. 1 Grant NCBiR nr WND-DEM-1-153/01: Innowacyjna elektrownia wiatrowa z pionową osią obrotu, o mocy 1,5 MW wyposażona w układ przekształtnikowy umożliwiający uzyskanie wysokiej efektywności przetwarzania energii wiatru w energię elektryczną przy niskich prędkościach wiatru

10 Literatura [AN] [Ba] Barszcz T., Bielecka M. Bielecki A., Wójcik M. (2012), "Wind speed modelling using Weierstrass function fitted by a genetic algorithm", Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics; 109: [BW] Barszcz T., Bielecka M. Bielecki A., Wójcik M., Włuka M. (2014), "Stability of power grids with significant share of wind farms, Proceedings of the Second International Conference on Advances in Mechanical and Robotics Engineering AMRE 2014: [Bi] Barszcz T., Bielecki A., Wójcik M., Bielecka M. (2014), "ART-2 artificial neural networks applications for classification of vibration signals and operational states of wind turbines for intelligent monitoring", Advances in Condition Monitoring of Machinery in Non- Stationary Operations, Lecture Notes in Mechanical Engineering: [BB] Bąk M., Bielecki A. (2007), "Neural systems for short-term forecasting of electric power load", Lecture Notes in Computer Science; 4432: [Bo] Boczar T. (2008), Energetyka Wiatrowa. Aktualne możliwości wykorzystania, Wydawnictwo PAK, Warszawa. [BK] Burtraw D., Krupnick A., Palmer K., Paul A., Toman M., Bloyd C. (2003),"Ancillary benefits of reduced air pollution in the US from moderate greenhouse gas mitigation policies in the electricity sector", Journal of Environmental Economics and Management; 45: [GG] Garcia-Gonzalez, J., Santos L.M., Gonzalez, A.M. (2008), "Stochastic joint optimization of wind generation and pumped-storage units in an electricity market", IEEE Transactions on Power Systems; 23: [HH] Hameeda Z., Honga Y.S., Choa T.M., Ahnb S.H., Son C.K., (2009), "Condition monitoring and fault detection of wind turbines and related algorithms: a review", Renewable and Sustainable Energy Reviews vol.13, [Ja] Jacobson, "Review of solutions to global warming, air pollution, and energy security", Energy & Environmental Science 2009; 2: [JW] Jiang R., Wang J., Guan Y., "Robust unit commitment with wind power and pumped storage hydro", IEEE Transactions on Power Systems 2012; 27: [HB] Hagan M.T., Behr S.M. (1987), "The time series approach to short term load forecasting", IEEE Transactions on Power Systems; 2: [HP] Hippert H.S., Pedreira C.E., Souoza R.C. (2001), "Neural networks for short term forecasting; a review and evaluation", IEEE Transactions on Power Systems; 16:

11 [KW] Kandil N., Wamkeue R., Saad M., Georges S. (2006), "An efficient approach for short term load forecasting using artificial neural networks", Electrical Power and Energy Systems; 28: [Ku] Kusiak A., Li W. (2011), "The prediction and diagnosis of wind turbine faults", Renewable Energy, vol.36, [Lo] Lorenc H. (2005), Mapa wietrzności IMGW, Warszawa. [MS] Mandal P., Senjyu T., Urasaki N., Funabashi T. (2006), "A neural network based several hours ahead electric load forecasting using similar days approach", Electrical Power and Energy Systems; 28: [MR] Moghram I.S., Rahman S. (1989), "Analysis and evaluation of five short-term load forecasting techniques", IEEE Transactions on Power Systems 1989; 4: [SS] Suganthi L., Samuel A.A. (2012), "Energy models for demand forecasting a review", Renewable and Sustainable Energy Review; 16: [Ty] Tytko R. (2009), Odnawialne źródła energii, OWG, Warszawa. [TO] Tuohy A., O Malley M. (2011), "Pumped storage in systems with very high wind penetration", Energy Policy; 39: [We] Weron R. (2007), "Modelling and forecasting electricity loads and prices A Statistical Approach", Wiley, West Sussex. [XW] Xia C., Wang J., McMenemy K. (2010), "Short, medium and long term load forecasting model and virtual load forecaster based on radial basis function neural networks", International Journal on Electrical Power and Energy Systems; 32: [YG] Yousuf I., Ghumman A.R., Hashmi H.N., Kamal M.A. (2014), "Carbon emissions from power sector in Pakistan and opportunities to mitigate those", Renewable and Sustainable Energy Reviews; 34: [EE] "Air pollution from electricity-generating large combustion plants", European Environment Agency technical report, no.4/2008, ISSN