ANALIZA PRACY DWUWIRNIKOWEJ ELEKTROWNI WIATROWEJ

Transkrypt

1 UNIWERSYTET PRZYRODNICZY WE WROCŁAWIU WYDZIAŁ PRZYRODNICZO TECHNOLOGICZNY INSTYTUT INŻYNIERII ROLNICZEJ ROZPRAWA DOKTORSKA mgr inż. Andrzej Pawlak ANALIZA PRACY DWUWIRNIKOWEJ ELEKTROWNI WIATROWEJ promotor: prof. dr hab.inż. Leszek Romański dr hab.inż. Bogusław Karolewski Wrocław 2013

2 SPIS TREŚCI WSTĘP AKTUALNY STAN WIEDZY 8 2. GENEZA PODJĘCIA TEMATU CEL I ZAKRES PRACY WARUNKI I METODYKA BADAŃ ZAŁOŻENIA DO BUDOWY MODELU PRZEDMIOT BADAŃ STANOWISKO BADAWCZE METODYKA BADAŃ ANALIZA BŁĘDÓW POMIAROWYCH SZACOWANIE NIEPEWNOŚCI POMIARU WYNIKI PRZEPROWADZONYCH BADAŃ I ANALIZ BADANIA I ANALIZA PRĘDKOŚCI STRUMIENIA POWIETRZA PRZEPŁYWAJĄCEGO PRZEZ DWUWIRNIKOWĄ ELEKTROWNIĘ WIATROWĄ BADANIA I ANALIZA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ WIRNIKÓW BADANIA I ANALIZA PRACY GENERATORA BADANIE PRACY DWUWIRNIKOWEJ ELEKTROWNI WIATROWEJ WNIOSKI.. 89 SPIS LITERATURY SPIS TABEL. 104 SPIS RYSUNKÓW WYKAZ WAŻNIEJSZYCH SYMBOLI I OZNACZEŃ

3 WSTĘP W gospodarce światowej obserwuje się zintensyfikowany rozwój odnawialnych źródeł energii (OZE). Od kilku lat następuje w tym sektorze stały wzrost liczby inwestycji. Ponadto, mimo widocznego spowolnienia gospodarczego, prognozuje się dalszy dynamiczny rozwój OZE w przyszłości. Z pośród wielu czynników przemawiających za tendencją rozwojową i stopniowym umacnianiem się OZE na rynku należy wymienić [Sullivan 2010]: 1. Bezpieczeństwo energetyczne którego konsekwencją jest silna dywersyfikacja źródeł energii. Ze względu na niewyczerpalność OZE należy przewidywać wzrost udziału energii odnawialnej w bilansie energetycznym. 2. Zmiany klimatyczne i globalne ocieplenie - które wymusza ograniczenie skutków wytwarzania energii na środowisko naturalne. Polityka ta kształtowana jest poprzez m.in. decyzje z Kioto, pakiet energetyczny Unii Europejskiej. OZE są źródłem energii, które ma najmniejszy negatywny wpływ na środowisko. 3. Wzrost popytu na elektryczność obserwowany w ciągu ostatnich dziesięcioleci. Należy przypuszczać, że infrastruktura energetyczna będzie ewaluować w kierunku bardziej rozproszonej. Konsekwencją tego procesu będzie przewaga mniejszych, o krótszym czasie trwania budowy, łatwiejszych do zrealizowania inwestycji takich jak OZE. W związku z powyższym, mimo trudności gospodarczych, firmy działające na rynku związanym z OZE umocnią swoją branżową pozycję. Przede wszystkim będą to dostawcy usług opartych na istniejących dostawach technologii zwiększającej wydajność, producenci zaawansowanego technologicznie wyposażenia. Analizując rozwój technologii energetycznych w otaczającej nas rzeczywistości można zaobserwować stały, niezmienny i ciągły w czasie wzrost kosztów energii niezbędnej do zasilania urządzeń, bez których społeczeństwo nie mogłoby funkcjonować na obecnym poziomie rozwoju. 3

4 Wzrost kosztów energii związany jest przede wszystkim z rosnącymi kosztami wydobycia i przetworzenia oraz malejącymi każdego dnia zasobami ziemi, z których wytwarzana jest energia sposobami konwencjonalnymi. Przy zachowaniu obecnego poziomu zużycia, wystarczalność zasobów paliw kopalnych określa się na poziomie: ropa naftowa lat, gaz lat, węgiel lat, uran 60 lat [Główny Urząd Statystyczny 2006]. Ta trudna sytuacja wymusiła poszukiwanie innych niż tradycyjne źródeł energii, które można wykorzystać na skalę przemysłową. Szacuje się, że na skalę umożliwiającą ograniczenie spalania paliw kopalnych, w obrębie całego świata nowe źródła będą stosowane nie prędzej jak w 2030 r. [Węgliński 2010] Jednak działania zmierzające do uniezależnienia się pod względem energetycznym poszczególnych krajów oraz rozwój technologii stymulują wzrost zapotrzebowania gospodarki światowej na energię odnawialną [Lewandowski 2001]. Wyliczenia ekonomiczne pozwalają przewidywać, że jeżeli trend związany z ceną energii elektrycznej uzyskiwanej z paliw kopalnych utrzyma się na dotychczasowym poziomie (trend rosnący) to ceny energii odnawialnej będą miały tendencję spadkową, a jej udział w gospodarce w następnych dziesięcioleciach będzie gwałtownie rosnąć [Węgliński 2010]. Oceny ekonomistów można uznać za realne, ze względu na przeznaczenie znacznych środków finansowych na badania związane z technologiami energetyki odnawialnej nie tylko przez światowe koncerny nieprowadzące do tej pory działalności w zakresie energetyki (np. BP, Shell, General Electric Company), jak również przez organizacje międzynarodowe i instytucje państwowe stymulowane dodatkowo przez tzw. politykę energetyczną mającą swoje odzwierciedlenie m.in. w prawodawstwie. Wymienić tu należy regulacje związane z efektywnością energetyczną, w tym: Dyrektywy Parlamentu Europejskiego, Odnowioną Strategię Lizbońską oraz Narodową Strategię Spójności na lata [Główny Urząd Statystyczny 2006]. Polskę, Czechy, kraje nadbałtyckie i Grecję zlicza się do krajów rozwijających się w zakresie OZE. Oznacza to, że firmy i instytucje obserwują procesy prawne i administracyjne przygotowując się do wykorzystania nowych możliwości. Teoretyczną alternatywą dla źródeł energii opartych o źródła odnawialne staje się przetwarzanie promieniowania słonecznego w energię elektryczną, które jest systematycznie udoskonalane, ale wciąż daleko jeszcze do osiągnięcia zadowalających granic możliwości technologicznych tego typu urządzeń. Dlatego instalowanie ogniw fotowoltaicznych z uwagi 4

5 na ich bardzo niską sprawność i wysoki koszt wytwarzania [Klugmann - Radziemska 2010] jest nieuzasadnione ekonomicznie [Szlachta i in. 2009]. W 2009 roku dostępne ogniwa fotowoltaiczne osiągały sprawność rzędu % [Kotowski 2010, Znajdek 2010, Sibilski, Znajdek 2009]. Dodatkowo dochodzą uwarunkowania związane z ilością promieniowania słonecznego występującego w skali roku w naszym klimacie oraz długi czas zwrotu kosztów instalacji (przy użytku domowym szacuje się na około 50 lat), które niekorzystnie wpływają na koniunkturę energetyki słonecznej [Kurowski 2009, Kurowski 2010]. Alternatywą dla tradycyjnej energetyki słonecznej mogą być słoneczne technologie termiczne - przetwarzające energię słoneczną na mechaniczną turbin elektrycznych zamienianą w dalszej kolejności na prąd. Jednak urządzenia te w naszym klimacie nie są spotykane i pozostają w fazie badań ze względu na ich relatywnie małą wydajność. Natomiast wielkie nadzieje z wykorzystaniem tych technologii związane są z terenami pustynnymi [Linker 2010]. Z postępem technologii należy upatrywać większy udział energii słońca w wykorzystaniu przy tzw. kojarzeniu pracy, np. pomp cieplnych lub wspomagania ogrzewania wody przy pomocy innych źródeł energii elektrycznej lub gazu [Węgliński 2010, Kotowski, Konopka 2011]. Zdaniem niektórych autorów w myśl Strategii Rozwoju Energii Odnawialnej [Węgliński 2010, Kurowski 2009, Klugmann - Radziemska 2010] w perspektywie do roku 2015 udział produkcji energii elektrycznej przy wykorzystaniu ogniw fotowoltaicznych będzie marginalny i nie wpłynie znacząco na ogólny bilans energetyczny kraju. Z opinia tą można polemizować, gdyż w myśl projektu nowej ustawy - prawo energetyczne [ produkcja prądu elektrycznego przy użyciu ogniw fotowoltaicznych będzie bardzo opłacalną działalnością gospodarczą. Największe tradycje ma w Polsce energetyka wodna. Jednak należy zauważyć, że energetyczne zasoby wodne Polski są niewielkie, ocenia się je niespełna na ok.12 TWh rocznie [Węgliński 2010]. Potencjał ten jest wykorzystany zaledwie w niewielkim procencie i dotyczy głównie segmentu niskich opadów i, co ważne, usytuowany jest tam, gdzie występuje stosunkowo niewielka moc zainstalowana mniej niż 500 kw [Dolata 2010]. W takich warunkach zbudowanie przynoszącej zyski elektrowni wodnej staje się wyzwaniem [Graal - Madsen 2009, Dolata 2011]. Znaczący w strukturze potencjału energetycznego kraju jest udział energii geotermalnej, może ona być używana do produkcji energii cieplnej, zwłaszcza w procesach wspomaganych 5

6 innymi rodzajami energii [Węgliński 2010]. Jednak zgodnie z trendami nie należy wprost szacować jej znaczącego udziału w produkcji energii elektrycznej [Węgliński 2010]. Inwestycje w energię pozyskiwaną z gorących źródeł geotermalnych poza ewidentnymi plusami wiążą się również z ogromnym ryzykiem inwestycyjnym związanym z finansowaniem badań oraz prac wiertniczych [Kamiński 2009]. Główną przyczynę finansowych perturbacji upatruje się w dużych odległościach transportu wód oraz związanymi z tym kosztami utrzymania infrastruktury przesyłowej [Kamiński 2009]. Globalnie w gospodarce światowej udział elektrowni geotermalnych jest niewielki i koncentruje się głównie w rejonach dużej aktywności tektonicznej m.in.: w Nowej Zelandii, Japonii, na Filipinach, w wulkanicznych rejonach Chin, Stanów Zjednoczonych, Meksyku [Nowak, Stachel 2011]. Podstawowym źródłem energii odnawialnej wykorzystywanym w naszym kraju jest biomasa wykorzystywana generalnie do produkcji energii cieplnej w procesie bezpośredniego spalania (drewna, słomy lub biogazów). Udział biomasy w produkcji energii elektrycznej jest znikomy [Węgliński 2010], a dość duże perspektywy związane z produkcją biogazu są niedostateczne wykorzystywane [Pazura 2009, Mikołajczak 2009] w związku z silnym oporem środowiskowym powodowanym czynnikami estetycznymi [Perkowska 2009, Żmijewski 2011, Kowlczyk - Jusko 2009, Kotowski 2010]. Ponadto w źle ulokowanej biogazowi mogą występować krytyczne dla produkcji biogazu problemy z okresowym brakiem substratów do produkcji biogazu będących źródłem surowca do produkcji energii [Curkowski, Oniszk - Popławska 2010, Grzybek 2010, Troszyński 2010, Kowlczyk - Jusko 2009], a obowiązujące obecnie przepisy prawne związane z budową instalacji biogazowych czynią realizację inwestycji w biogazownie długotrwałą [Popczyk 2009, Kupczyk 2010] i skomplikowaną [Dach 2010, Tarka i in. 2010, Towpik 2010]. Największą zauważalną zaletą źródeł energii odnawialnej jest to, że w przeważającej liczbie przypadków otrzymanie energii ze źródeł odnawialnych jest zdecydowanie tańsze od wykorzystania konwencjonalnych paliw. Natomiast do największych wad energii odnawialnej należy zaliczyć koszty budowy urządzenia zajmującego się konwersją energii oraz koszty związane z badaniami i ekspertyzami, które trzeba ponieść przed rozpoczęciem ekonomicznie uzasadnionej inwestycji. Należy jednak podkreślić, że w dłuższej perspektywie czasowej, każde 6

7 z odnawialnych źródeł energii jest bardziej opłacalne niż wykorzystanie tradycyjnych paliw kopalnianych. W obecnych realiach funkcjonowania Unii Europejskiej i standardów, jakie są przez nią narzucane krajom członkowskim w kwestii wykorzystania zasobów naturalnych oraz odnawialnych źródeł energii, racjonalnym i uzasadnionym procesem staje się prowadzenie prac badawczych nad wykorzystaniem wiatru, jako źródła energii elektrycznej i co za tym idzie szukanie nowych wysokosprawnych rozwiązań konstrukcyjnych elektrowni wiatrowych, takich jak m.in. dwuwirnikowa elektrownia wiatrowa. 7

8 1. AKTUALNY STAN WIEDZY W chwili obecnej jedną z ekspansywnie rozwijających się dziedzin w ramach energii odnawialnych jest energetyka wiatrowa zajmująca się pozyskiwaniem energii z przepływu strumienia powietrza względem powierzchni ziemi, wywoływanego przez różnicę ciśnień oraz defekty w ukształtowaniu powierzchni. W ujęciu globalnym na całym świecie zasoby wiatru mogłyby dostarczyć 72 TW energii [Szlachta i in. 2009, Flaga 2008]. Przy założeniu, że na całym świecie rocznie zużywa się ok. 2 TW energii (2009 r.), wystarczyłoby wykorzystać tylko ok. 5 % tych zasobów, aby pokryć zapotrzebowanie roczne całego świata na prąd [Flaga 2008]. Na terenie naszego kraju energetyka wiatrowa zaczęła się rozwijać dopiero w ostatnich latach, głownie na Wybrzeżu Bałtyckim [Gutowski 2010, Bartmański 2010], w rejonach Suwalszczyzny, Kujaw i Podkarpacia [Chochowski, Krawiec 2008]. Potencjał Polski z energetyki wiatrowej oceniany jest na poziomie ok. 600 MW [Węgliński 2010]. Jednak w 2005 roku wykorzystywane było jedynie 83 MW. Po zakończeniu w 2006 roku nowych inwestycji - 25 elektrowni wiatrowych o mocy 50 MW w Tymieniu liczba ta wzrosła do ponad 140 MW. W 2007 roku było już 30 większych farm o mocy 276 MW. Liczba ta cały czas szybko rośnie osiągając w 2008 roku poziom 451 MW. Natomiast przełomowy był 2009 rok, kiedy suma mocy działających elektrowni wiatrowych w Polsce osiągnęła 553 MW [Chochowski, Krawiec 2008]. Ponadto w kraju funkcjonuje około 60 małych autonomicznych siłowni wiatrowych zabezpieczających potrzeby energetyczne głównie gospodarstw domowych ze stałą tendencją wzrostową [Węgliński 2010]. Według raportu Windforce 12 z czerwca 2005 roku Polska jest wymieniana, jako jeden z potencjalnych liderów w produkcji energii wiatrowej [Wrutniak 2009, Wiśniewski, Michałowska - Knap 2010, Barzyk 2010]. Natomiast na świecie według Global Wind Energy Council i European Wind Energy Association na koniec 2008 r. roku największą ilość zainstalowanej mocy w elektrowniach wiatrowych osiągnęły Stany Zjednoczone (głównie dzięki wielkim inwestycjom w Teksasie, posiadają dwie największe fermy na świecie o mocy ok. 780 MW i 735,5 MW) wynoszącą MW. Zauważalna jest stymulacja środowiskowa procesów związanych z inwestycjami w energetykę wiatrową przez środki z Funduszu Spójności w ramach Osi Priorytetowej [Choromański 2009]. Obecnie wdrażane są zmiany w Ustawie Prawo energetyczne wymuszone m.in. Dyrektywą 2005/89/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 18 stycznia

9 r. dotycząca działań na rzecz zagwarantowania bezpieczeństwa dostaw energii elektrycznej i inwestycji infrastrukturalnych (Dz. Urz. UE L 33 z str. 22) oraz Dyrektywą 2001/77/WE z dnia 27 września 2001 r. w sprawie wspierania produkcji na rynku wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych (Dz. Urz. WE L 283 z ) ułatwiają potencjalnym inwestorom przyłączanie do istniejącej sieci elektroenergetycznej nowych odnawialnych źródeł energii zwłaszcza elektrowni wiatrowych [Majchrzak 2010, Muras 2010]. W związku z przedstawionymi powyżej ogólnymi trendami w krajach członkowskich Unii Europejskiej wspieraniu rozwoju energetyki wiatrowej w oparciu o Dyrektywy Wspólnoty Europejskiej w Polsce mają służyć nowe uregulowania prawne oraz zmiany w dotychczas już istniejących aktów prawnych takich jak: [Węgliński 2010, Owczarzak 2010]: Rezolucja Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 8 lipca 1999 r. w sprawie wzrostu wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych, Ustawa Prawo energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 r., Ustawa z dnia 15 kwietnia 2011 r. o efektywności energetycznej (Dz. U. Nr 94, poz. 551 oraz z 2012 r., poz. 951, poz i poz. 1397), Obwieszczenie Ministra Gospodarki z dnia 21 grudnia 2012 r. w sprawie szczegółowego wykazu przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej (Dz.U nr 0 poz. 1397), Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 18 października 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii (Dz.U nr 0 poz. 1203), Obwieszczenie Ministra Gospodarki z dnia 15 listopada 2011 r. w sprawie raportu zawierającego analizę realizacji celów ilościowych i osiągniętych wyników w zakresie wytwarzania energii elektrycznej w odnawialnych źródłach energii (Dz.U nr 94 poz. 551), 9

10 Obwieszczenie Ministra Gospodarki z dnia 24 maja 2011 r. w sprawie raportu określającego cele w zakresie udziału energii elektrycznej wytwarzanej w odnawialnych źródłach energii znajdujących się na terytorium Rzeczypospolitej Polskiej, w krajowym zużyciu energii elektrycznej na lata (Dz.U nr 194 poz. 1291), Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 7 maja 2008 r. w sprawie przetargu na budowę nowych mocy wytwórczych energii elektrycznej lub na realizację przedsięwzięć zmniejszających zapotrzebowanie na energię elektryczną (Dz.U nr 53 poz. 318), Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 21 października 2005 r. w sprawie udzielania pomocy na wspieranie inwestycji związanych z odnawialnymi źródłami energii (Dz.U nr 175 poz. 1462), Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 30 maja 2003 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej i ciepła z odnawialnych źródeł energii oraz energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła (Dz.U nr 89 poz. 828). Stymulacja nie tylko polskiej, ale również i światowej energetyki wiatrowej powoduje jej niezrównoważony [Zwolińska i in. 2010, Szulc 2009], ale znaczący rozwój [Węgliński 2010]. Pomimo szczytnych idei stojących przy tworzeniu przedmiotowych ustaw i rozporządzeń brak jednoznacznej interpretacji poszczególnych przepisów doprowadził do manipulacji w wypełnianiu obowiązku zakupu energii odnawialnej, co przy zdecydowanie za małej podaży na energię ekologiczną z obecnych źródeł wobec popytu, przy braku uregulowań rynkowych związanych z brakiem konkurencji przy uwarunkowaniu prawnym obowiązku zakupu prowadzi do znacznego wzrostu cen energii, co obserwujemy obecnie w skali makro [Węgliński 2010, Tarka 2009]. Kolejnym aspektem wpływającym na niezrównoważony rozwój energetyki wiatrowej w naszym kraju jest złożony system niejednoznacznych aktów prawnych, których interpretacje są rozbieżne w zależności od uznania urzędników pracujących w danych ośrodkach administracji państwowej. Następstwem tej sytuacji jest znacząca liczba umów, pozwoleń, koncesji, projektów, ekspertyz oraz uzgodnień, które trzeba posiadać przed rozpoczęciem inwestycji w energetykę wiatrową, a które rzutują nie dając gwarancji sukcesu na bezpośrednie decyzje 10

11 administracyjne administracji państwowej [Boczar 2007, Kowalczyk - Juśko 2009, Fran10, Perkowska 2010, Kapała 2010, Gawdzik 2008, Leroch 2009, Owczarzak 2010]. Jednym z istotniejszych problemów związanych z elektrowniami wiatrowymi jest hałas przekraczający niekiedy 100 db. Jest to wartość mogąca doprowadzić w skrajnych przypadkach do uszkodzenia słuchu. Związane jest to z jego budową i tak np. końcówki łopat wirnika 22 metrowego wiatraka przy prędkości 1 obr./sek. osiągają 250 km/h [Wuczyński 2009]. W tym miejscu należy zauważyć, że natężenie dźwięku maleje wraz z odległością od turbiny wiatrowej. Szacunkowo przyjmuje się, że 1 MW turbina daje hałas 45 db w odległości 300 m. Stąd tego typu urządzenia montowane są zazwyczaj z dala od gęsto zurbanizowanych rejonów [Lewandowski 2010]. Teoretycznie oddalenie się od turbiny byłoby dobrym rozwiązaniem zmniejszającym hałas, niemniej pozostaje dokuczliwa monotonność powtarzającego się szumu tzw. tętnienie propagujące się w znacznych odległościach od źródła dźwięku [Glina 2010]. Rozwiązaniem tego rodzaju problemów związanych z turbinami jest stosowanie nowoczesnych urządzeń nisko szumowych, niestety także często dużo droższych [Band i in. 2007, Barcay 2007, Kapała 2010]. Kontrowersyjny jest także wpływ elektrowni wiatrowych na ptactwo i nietoperze [Glina 2010]. Niemniej analizy dowodzą, że prawdopodobieństwo zderzenia ptaka ze śmigłami jest wielokrotnie mniejsze niż wpadnięcie na linie energetyczne [Wuczyński 2009]. Ponadto stawia się je w pobliżu odbiorców, co gwarantuje mniejszą liczbę przewodów w powietrzu dodatkowo niwelując problem kolizji powietrznych [Band i in. 2007, Barcay 2007]. Kolejnym problemem elektrowni wiatrowych jest nieprzewidywalność warunków wietrznych. Na terenie Niemiec znajduje się około 16 tysięcy wiatraków, powinny one pokrywać około 15 % zapotrzebowania na prąd, w rzeczywistości pozwalają pokryć około 3 % zapotrzebowania [Gajowiecki, Prasałek 2010, Rajewski 2009]. Za minimalne warunki, dla których opłaca się uruchomienie elektrowni wiatrowej przyjmuje się przepływ powietrza z prędkością 4 m/s, optymalnie 8-15 m/s. Średnie warunki dla Polski przyjmuje się na 4,5-5 m/s. Dla większości elektrowni wiatrowych jest to wystarczające, aby opłacalna była ich budowa [Kapała 2011]. Przyjmuje się, że średnia ilość produkowanej przez elektrownie wiatrowe energii rocznie wynosi około % zainstalowanej mocy. Według szacunków 11

12 większość generatorów i turbin wiatrowych wykorzystuje tylko 25 % ich czasu pracy, resztę stoją bez ruchu [Bekier 2010]. Dlatego nastawiając się na źródło energii odnawialnej, jakim jest energia wiatrowa należy liczyć się z zależnością zasobów od warunków pogodowych [Chochowski, Krawiec 2008], długim okresem zwrotu poniesionych kosztów lub małą wydajnością źródła. Rodzi to podstawowy wniosek przy projektowaniu przedmiotowej inwestycji, że należy dokładnie planować typowe źródło do naszych oczekiwań [Suska - Szczerbicka 2009]. Konsekwencją procesów ekonomicznych zachodzących w kraju i na świecie jest obserwowany wśród producentów siłowni wiatrowych oraz ośrodków badawczych zajmujących się ta problematyką powrót do prowadzenia prac badawczych nad konstrukcjami elektrowni wiatrowych. Zasadnicze wady i zalety istniejących konstrukcji elektrowni wiatrowych przedstawiono w tab.1. Należy zwrócić uwagę, że również znaczny udział w budowie elektrowni wiatrowych mają konstrukcje amatorskie budowane doraźnie przez osoby fizyczne niezwiązane z podmiotami gospodarczymi i ośrodkami naukowymi. Analizując obecną sytuację rynkową w obecnej chwili na rynku działa szereg firm, które zaczęły się specjalizować w produkcji tego typu konstrukcji. Oferują one kompleksowe urządzenia techniczne o szerokiej gamie mocy oraz zastosowań i rozwiązań konstrukcyjnych. Efektem działalności prowadzonej przez powyższe podmioty gospodarcze są pojawiające się coraz częściej w krajach Europy Zachodniej oraz bezpośrednio w Polsce konstrukcje elektrowni wiatrowych charakteryzujące się średnicą wirnika nieprzekraczającą 2 m i mocami nie większymi niż 1 kw oraz stosunkowo wysoka czułość na prędkości wiatru rzędu 2 m/s [Tytko 2010]. Dodatkowo występuje znacząca tendencja realizowana przez poszczególnych producentów urządzeń związanych z energetyką wiatrową by przedmiotowe urządzenia stawały się coraz wydajniejsze, technologicznie nowoczesne, a przez to tańsze i znajdujące się w zasięgu cenowym coraz większej liczby potencjalnych odbiorców. Ze względu na specyficzne właściwości techniczne mini elektrowni wiatrowych związane przede wszystkim z ich niewielkimi rozmiarami należy oczekiwać, że w przeciągu najbliższych lat znajdą one szerokie zastosowania w różnych obszarach. Należy przypuszczać, 12

13 że duża zdolność adaptacyjna konstrukcji mini siłowni wiatrowych pozwoli w przeciągu najbliższych lat przejąć i zdominować energetykę i to zarówno w obszarach miejskich silnie zurbanizowanych, jak również w obszarach wiejskich, szczególnie przy rozproszonej zabudowie. Proces ten jest już obserwowany w otaczającej nas rzeczywistości technicznej, gdyż coraz częściej pojawiają się mini siłownie wiatrowe wtapiające się w otoczenie dróg i autostrad dostarczając energii elektrycznej niezbędnej do zasilania tablic reklamowych i pojedynczych znaków drogowych nie tylko u naszych zachodnich sąsiadów, ale również i w Polsce. Kolejnym aspektem uwarunkowań technologicznych jest rodzaj turbiny zastosowany w elektrowni wiatrowej: turbiny o poziomej osi obrotu oraz turbiny o pionowej osi obrotu. Turbiny o poziomej oso obrotu HAWT (Horizontal Axis Wind Turbines), są to najbardziej znane konstrukcje ze śmigłami obracającymi się prostopadle do kierunku natarcia wiatru. Najczęściej 2 lub 3 łopatowe [Chochowski, Krawiec 2008], chodź zdarzają się również jedno i wielołopatowe. Wiatraki typu HAWT dzieli się w zależności od liczby łopat i ustawienia wirnika przed lub za masztem w stosunku do kierunku natarcia wiatru. Za masztem są nieco mniej wydajne ze względu na częściowe zasłonięcie wirnika przez maszt [Lebiedowski 2009]. Turbiny o pionowej osi obrotu VAWT (Vertical Axis Wind Turbines) o wirnikach obracających się równolegle do kierunku natarcia wiatru są spotykane rzadziej. Konstrukcyjnie są bardziej zróżnicowane i skomplikowane technologicznie, a niektóre do startu wymagają innych napędów (silnik elektryczny) np. wirnik Darrieus a. Inne np. świderkowe potrafią produkować prąd już przy wietrze 1,5 m/s [Chochowski, Krawiec 2008] i działające prawie bezgłośnie [Sondej 2010]. Podstawową wadą tego typu turbin jest ich mała sprawność, niesprawdzona konstrukcja oraz znacząca komplikacja technologiczna, a co za tym idzie duże koszty wytworzenia tego typu urządzeń [Lebiedowski 2009]. Zalety i wady elektrowni wiatrowych typu HAWT, typu VAWT (siła noszenia) oraz typu VAWT (siła parcia) przedstawiono szczegółowo w tab

14 Tabela 1.1. Wybrane zalety i wady elektrowni wiatrowych typu HAWT, typu VAWT (siła noszenia) i typu VAWT (siła parcia). Źródło: opracowanie własne HAWT VAWT (siła nośna) VAWT (siła parcia) 1. Wysoka sprawność 1. Dość dobra sprawność 1. Sprawdzona konstrukcja ZALETY 2. Sprawdzona konstrukcja 3. Ekonomiczna 4. Szeroka gama produktów i zastosowań 5. Źródło energii odnawialnej 2. Praca niezależna od kierunku wiatru 3. Generuje niewielkie wibracje 4. Źródło energii odnawialnej 2. Cicha 3. Niezawodna i solidna konstrukcja 4. Praca niezależna od kierunku wiatru 5. Wykorzystuje zjawisko turbulencji 6. Generuje niewielkie wibracje 7. Źródło energii odnawialnej WADY 1. Opóźniona reakcja na szybkie zmiany kierunku wiatru 2. Praca w wąskim zakresie prędkości wiatrów 1. Niesprawdzona konstrukcja 2. Czuła na turbulencje 1. Niska sprawność 2. Porównując do poprzednich konstrukcji nieekonomiczna Niektóre rozwiązania są dość kontrowersyjne, jak np. propozycja kanadyjskiej firmy Magenn, umieszczenia turbin pod helowymi balonami, przyczepionymi do ziemi za pomocą m lin. Pierwsze urządzenia miały moc około 4 kw [Lebiedowski 2009]. Stosunkowo nowym pomysłem technologicznym związanym z energetyką wiatrową są tzw. słoneczne wieże. Elektrownia taka składa się z wysokiego komina otoczonego szklarniami. Powietrze pod szkłem nagrzewa się szybciej niż na otwartej przestrzeni, rozgrzane w ten sposób daje silny ciąg (powstaje różnica ciśnień między podłożem, a wierzchołkiem komina) wychwytywany przez komin, w którym umieszczone są jedna nad druga turbiny wiatrowe. Pierwsza tego typu instalacja powstała w Manzanares w Hiszpani w 1981r. Miała powierzchnię 4,5 ha i 200 m komin, pozwalało to na uzyskanie mocy 50 kw. Aby elektrownia mogła działać w nocy, w szklarniach znajdują się bloki szybko nagrzewających się materiałów oddających ciepło po zachodzie słońca. Jednak ze względu na wysokie wymagania, co do nasłonecznienia wydaje się mało prawdopodobne zastosowanie tej technologii w Polsce. W elektrowniach wiatrowych stosuje się różne rozwiązania generatorów prądu. Wśród elektrowni przeznaczonych do produkcji energii dla sieci energetycznej stosuje się układy o zmiennej prędkości obrotowej sprzęgnięte z bezprzekładniowym, wolnoobrotowym 14

15 generatorem synchronicznym, a następnie systemy oparte o generator asynchroniczny ze zmienną ilością biegunów. Należy jednak pamiętać, że swoje zalety generatory te zawdzięczają nowatorskim i jeszcze drogim technologiom (głównie układy bezprzekładniowe), których podstawową wadą jest wysoka cena w porównaniu z rozwiązaniami tradycyjnymi. W energetyce wiatrowej zastosowanie znajdują również generatory asynchroniczne klatkowe dwubiegunowe. Dwubiegunowość pozwala na lepsze wykorzystanie siły wiatru. Jeżeli w stojanie maszyny asynchronicznej umieścimy dwa niezależne uzwojenia o różnej ilości biegunów, to przyłączając raz jedno, raz drugie uzwojenie do sieci, otrzymamy pola wirujące z różną prędkością synchroniczną. Jednak silnik z dwoma uzwojeniami w stojanie jest zwykle większy, droższy i wymaga zastosowania solidniejszych konstrukcji wież. Podobnym rozwiązaniem jest również zastosowanie jednego uzwojenia, które można przełączać tak, aby wytwarzało pola wirujące z różną prędkością. Elektrownia tego typu, pracuje z dwoma prędkościami. Dla małych prędkości wiatru, generator pracuje na większej ilości biegunów, więc obraca się z mniejszą prędkością. Przy większych prędkościach wiatru ilość biegunów jest przełączana i maszyna pracuje z większą prędkością. Rozwiązanie to pozwala na lepsze wykorzystanie energii zawartej w rozpędzonej strudze powietrza napędzającej wirnik turbiny, niż przy jednej prędkości obrotowej. W przypadku elektrowni pracujących na sieć wydzieloną, znakomita większość z nich pracuje przy zmiennych obrotach wirnika i generuje prąd stały (w przypadku rozwiązań powyżej 10 kw - zmienny). Zmienne obroty zapewniają lepsze wykorzystanie energii wiatru niż stałe, jednakże elektrownie te mają być maksymalnie uproszczone i tanie, przystosowane do pracy z prostymi urządzeniami elektrycznymi jak akumulatory czy grzałki. Nie stosuje się w nich skomplikowanych rozwiązań takich jak na przykład sterowanie kontem natarcia każdej z łopatek wirnika. Teoretycznie granicą technologiczną w przypadku obecnie projektowanych turbin są możliwości wykorzystania prawie 60 % mocy wiatru. W praktyce nie przekracza się konstrukcyjnie granicy 50 %, a za dobre projekty uważa się te o wydajności 35 % [Lebiedowski 2009]. Źródłem tej niekorzystnej sytuacji jest stosunkowo duża ilość istniejących komercyjnie rozwiązań przestarzałych technologicznie, a stosowanych ze względu na nieskomplikowaną technologię produkcji. 15

16 Analizując poszczególne wdrożenia siłowni wiatrowych o mocach rzędu kilki kw można zaobserwować, że koncentrują się one głównie wokół następujących zastosowań: pojedyncze gospodarstwa rolne i agroturystyczne w przypadku znacznych odległości od sieci energetycznych, niewielkie obiekty przemysłowe takie jak: stacje pomp nawadniających, stacje hydrologiczno meteorologiczne oddalone od siedlisk ludzkich, jachty i łodzie żaglowe, stacje monitoringowe obszarów leśnych, punkty kontrolne dróg i autostrad. Zastosowania te wychodzą na przeciw sygnalizowanemu przez [Główny Urząd Statystyczny 2006] zapotrzebowaniu na zużycie energii elektrycznej w obrębie gospodarstw rolnych. W ramach, których wyróżniamy dwa sektory: produkcyjny i bytowy. W sektorze produkcyjnym energia zużywana jest do [Główny Urząd Statystyczny 2006]: zasilania wszelakich maszyn i urządzeń, do których wykorzystuje się energię elektryczną, przygotowania ciepłej wody na cele produkcyjne, gdzie, jako źródło energii wykorzystuje się energię elektryczną, oświetlania energią elektryczną. Natomiast w sektorze bytowym, czyli związanym z egzystencją osób przebywających w gospodarstwie domowym, energię zużywa się podobnie, jak w standardowych gospodarstwach domowych na [Główny Urząd Statystyczny 2006]: przygotowanie ciepłej wody użytkowej za pomocą energii elektrycznej, urządzenia domowe i oświetlenie elektryczne, przygotowanie posiłków. Podsumowując powyższe rozważania na dzień dzisiejszy najkorzystniejsze pod względem ekonomicznym jest inwestowanie w energię wiatrową, gdy mamy rozwiązany problem odbioru energii (podłączenia do sieci) lub gdy problem ten nie występuje (elektrownie wiatrowe pracujące w sieci autonomicznej). Efektem tej sytuacji jest zwiększające się z każdym rokiem zainteresowanie elektrowniami wiatrowymi i szybki rozwój technologii związanych z energetyką wiatrową [Szambelańczyk 2010, Perkowska 2010, Iwański 2009]. 16

17 2. GENEZA PODJĘCIA TEMATU Analiza literatury pozwala na identyfikację jednego z podstawowych problemów energetyki wiatrowej - problemu zwiększenia efektywności energetycznej elektrowni wiatrowych. Jedną z pierwszych polskojęzycznych prac, w której ten problem został poruszony jest praca Wacława Jagodzińskiego [Jagodziński 1959], gdzie autor formułuje problemowe pytanie w sposób następujący: Czy w ogóle warto starać się o większą sprawność urządzeń wiatrowych, bo przecież energia wiatru jest wszędzie dostępna za darmo. Po cóż zatem ubiegać się o urządzenia bardziej oszczędzające tę darmową energię, zwłaszcza, że urządzenia takie ( ) absorbują zużycie większej ilości środków materialnych. Odpowiedź na pytanie problemowe sformułowane powyżej dostarczają wnioski z analizy przeprowadzonych studiów literaturowych oraz analizy głównych kierunków badań dotyczących energetyki wiatrowej. Podstawową potrzebą jest możliwie stała i ciągła zdolność do wytwarzania energii elektrycznej przez elektrownię wiatrowej w możliwie szerokim spektrum prędkości strumienia powietrza przepływającego przez wirniki elektrowni. Ze względu na to, że okresy występowania odpowiednio silnych ruchów mas powietrza (wiatrów) są dość ograniczone i występują na ograniczonej przestrzeni, a przy tym znacznie częściej występują słabsze ruchy mas powietrza (wiatry), niż silne i bardzo silne. Dlatego, ze względu na podstawową potrzebę uzyskania możliwie dużej mocy silnika wiatrowego, a co za tym idzie możliwość wytwarzania możliwie dużych ilości energii elektrycznej, podczas znacznie częściej występujących wiatrów słabszych, niezbędne jest uzyskanie możliwie dużej sprawności elektrowni wiatrowych by zabezpieczyć możliwie stałą i ciągłą zdolność do wytwarzania energii elektrycznej. W związku z powyższym największą sprawność elektrownia wiatrowa powinna uzyskiwać podczas ruchów powietrza o małych prędkościach, przy czym sprawność ta podczas wiatrów o większych prędkościach może się zmniejszać w sposób naturalny (np. poprzez odpowiedni dobór profili aerodynamicznych) lub sposób sztuczny (np. poprzez działanie urządzeń regulacyjnych). Kolejną konkluzją nasuwającą się z analizy literatury jest obserwowana obecnie ogólnoświatowa technologiczna tendencja do miniaturyzacji urządzeń technicznych - osiągnięcia 17

18 możliwie małych wymiarów i ciężaru elektrowni wiatrowych w stosunku do wytwarzanych mocy. Należy zauważyć, że duże, cechujące się dużą masą wirniki elektrowni wiatrowych wymagają wału i głowicy o proporcjonalnie większej masie. Zastosowanie ciężkich wałów i ciężkich głowic powoduje problematyczną konstrukcyjną budowę możliwie wysokiej wieży, której wymiary, a przede wszystkim ciężar są uzależnione od wielkości głowicy elektrowni wiatrowej. Natomiast mniejsze wymiary elektrowni wiatrowych powodują redukcję problemu regulacji oraz ochrony przed uszkodzeniami podczas zbyt silnych wiatrów i huraganów. Z przedstawionych powyżej zasadniczych przesłanek analiza literaturowa dostarcza przykłady różnych metod zwiększania sprawności urządzeń wiatrowych. Metody te można usystematyzować dzieląc na następujące podgrupy: 1. Umiejscowienie za pierwszym wirnikiem elektrowni wiatrowej drugiego wirnika (bądź większej liczby wirników), który wykorzystywałoby energię wiatru odpływającego zza pierwszego wirnika. Analiza fizyczna zjawisk zachodzących w bezpośrednim sąsiedztwie wirnika sugeruje, że część energii strumienia powietrza przepływającego przez pierwszy wirnik elektrowni wiatrowej pozostaje niewykorzystana i ujawnia się, jako odpływ strumienia powietrza za pierwszym wirnikiem. Drugi wirnik, umieszczony za pierwszym wirnikiem daje potencjalną możliwość wykorzystania części energii strumienia powietrza, która nie została wykorzystana przez pierwszy wirnik. Rozwiązanie to można wykorzystywać w trzech konfiguracjach: a) zakładając, że kierunek wirowania drugiego wirnika jest identyczny z kierunkiem wirowania pierwszego wirnika, moc uzyskiwana z drugiego wirnika będzie mniejsza, od mocy pierwszego wirnika ze względu na mniejszą prędkość strumienia powietrza opływającego drugi wirnik po przejściu przez pierwszy wirnik dwuwirnikowej elektrowni wiatrowej, b) zakładając, że kierunek wirowania drugiego wirnika jest przeciwny do pierwszego wirnika, moc uzyskiwana przez drugi wirnik mogłaby być większa, ze względu na potencjalną możliwość wykorzystywania szybkości śrubowego ruchu powietrza za pierwszym wirnikiem, 18

19 c) przy założeniu przeciwnego kierunku wirowania wirnika drugiego w stosunku do wirnika pierwszego, można napędzać pierwszym wirnikiem elektrowni wiatrowej wirnik generatora, drugim zaś w kierunku odwrotnym stojan tego generatora, przez co istnieje możliwość uzyskania większej szybkości obrotowej wirnika względem stojana. 2. Zlokalizowanie wirnika (bądź wirników) elektrowni wiatrowej w obwodowej osłonie nieruchomej, która pozwalałby na zwiększenie prędkości strumienia powietrza na samym wirniku. Związane jest to z tym, że na skutek spiętrzenia ciśnienia strumienia powietrza przed wirnikiem część powietrza odpływa przed wirnikiem ku jego obwodowi i nie jest przez niego wykorzystana. Obudowanie wirnika (wirników) umieszczoną na obwodzie jego koła osłoną, będzie przeciwdziałało odpływowi strumienia powietrza, a przez to daje możliwość zwiększenia mocy odzyskiwanej z energii strumienia powietrza przez wirnik. Dodatkowo osłona przeciwdziałając wyrównywaniu się na końcach łopat wirnika podciśnienia na ich grzbietach i ciśnienia na stronach przednich, powinna znacznie zmniejszać opory indukcyjne [Romański, Charkiewicz 2008a, Romański, Charkiewicz 2008, Charun 2009]. 3. Umieszczenie wirnika w dyszy w celu wykorzystania zwiększonej w jej przewężeniu szybkości przepływu strumienia powietrza. Wydajność dyfuzora zwiększa dodatkowo zastosowanie szczelin w płaszczyźnie rury [Flaga 2008, Lebiedowski 2009, Romański, Charkiewicz 2008, Romański, Charkiewicz 2008b, Charun 2009]. 4. Usytuowanie na jednej wieży kilku niezależnych od siebie wirników [Lebiedowski 2009]. 5. Eliminacja bądź znaczna redukcja przekładni poprzez zastosowanie mniejszych wirników posiadających większe szybkości obrotowe niż wirniki większe. 6. Zastosowanie w konstrukcji wirnika śmigieł o nowoczesnych profilach aerodynamicznych stabilizujących pracę elektrowni wiatrowej w szerokim spektrum zasilających ją prędkości strumienia powietrza. Podsumowując należy zauważyć, że większość zaprezentowanych metod zwiększania sprawności elektrowni wiatrowych nie powoduje znaczących zmian sprawności elektrowni 19

20 wiatrowych w stosunku do poniesionych nakładów na modernizację konstrukcji. Tym samym rysuje się waga rozpatrywanego problemu sprawności elektrowni wiatrowych. Renomowane firmy produkujące elektrownie wiatrowe prześcigają się w rozwiązaniach konstrukcyjnych turbin niemniej proces ten nie znajduje odzwierciedlenia w ilości publikacji dotyczących tej problematyki, a przedstawione w literaturze metody zwiększania sprawności urządzeń wiatrowych nie zostały kompleksowo opisane. Podobnych wniosków dostarcza przegląd literatury dotyczącej rozwiązań technicznych stosowanych w energetyce wiatrowej [Gasch, Twele 2002, Manwell i in. 2002, Akhmatov 2003, Flaga 2004, Gumuła i in. 2006, Flaga 2008], gdzie nie jest poruszana problematyka dotycząca modelowania zjawisk zachodzących na obciążonej dwuwirnikowej elektrowni wiatrowej. Także w pracach poruszających problematykę funkcjonowania elektrowni wiatrowych w ramach systemu elektroenergetycznego [Matla 1999, Tande 2001, Rosas 2003, Courault, Preville 2004, Vrtek i in. 2006, Gładyś, Janiczek, Przygrodzki 2006, Lubośny 2007, Bartodziej, Tomaszewski 2008, Lubośny 2009, Małyszko i in. 2010] autorzy koncentrują się na modelowania systemów elektroenergetycznych i sieci przesyłowych pomijając zagadnienia związane ze zjawiskami zachodzącymi na obciążeniu pojedynczej elektrowni wiatrowej. Również literatura dotycząca modelowania energetyki wiatrowej [Hansen i in. 2001, Cotrell, Pratt 2003] nie przedstawia modelu wielopłaszczyznowego reprezentującego podejście holistyczne do problemu sprawności pozyskiwania energii elektrycznej z energii strumienia powietrza. Występują jedynie modele cząstkowe, nie pozwalające opisać specyfiki zjawisk zachodzących na obciążeniu pracującego generatora elektrowni wiatrowej. Podobnie występujące w literaturze prace poruszające aspekty ekonomiczne energetyki wiatrowej [Soliński 1997, Soliński 1999, Focken i in. 2001, Holttinen i in. 2002, Popczyk 2008, Małyszko i in. 2010] mogą stanowić podstawę do szacowania opłacalności inwestycji umiejscowienia elektrowni wiatrowej w określonym miejscu, ale nie pozwalają dokonać formalizacji obliczeń z punktu widzenia użytkownika dwuwirnikowego łopatowego silnika wiatrowego, który jest zainteresowany określeniem wydolności prądowo napięciowej wiatraka, po wstępnym określeniu wydolności wiatrowej miejsca, w którym będzie umiejscowiona elektrownia wiatrowa. W dostępnych źródłach literaturowych nie występują modele dwuwirnikowej elektrowni wiatrowej umożliwiające powiązanie bezpośrednią zależnością matematyczną średniej prędkości 20