Temat: Wykorzystanie energetyki wiatrowej jako alternatywa dla tradycyjnych źródeł energii.

Transkrypt

1 Jacek Latocha Politechnika Częstochowska Temat: Wykorzystanie energetyki wiatrowej jako alternatywa dla tradycyjnych źródeł energii. Energetyka jest podstawą wszelkiej działalności gospodarczej a co za tym idzie rozwoju państw. Zapotrzebowanie na energie z roku na rok wzrasta. Obecnie nie jest możliwe normalne funkcjonowanie społeczeństwa bez stałych dostaw energii elektrycznej. Globalnie wykorzystywana energia elektryczna, której produkcja opiera się na źródłach konwencjonalnych stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa energetycznego państw. Różne źródła podają przybliżony rok wyczerpania zasobów naturalnych. Z danych Instytutu Badań ystemowych PAN wynika, że zasoby ropy naftowej zostaną wyczerpane ok. 050roku, węgla kamiennego - po 00roku, gazu po 060 roku, uran ok. 00 roku. Dane te mogą trochę się zmienić ponieważ nie wszystkie źródła paliw zostały jeszcze odkryte. Głównymi źródłami energii, które wykorzystuje się w Polsce do produkcji energii elektrycznej są paliwa stałe. Paliwa te (węgiel, ropa naftowa itd.) przyczyniają się do skażenia środowiska naturalnego. Wiele krajów wprowadziło programy oszczędnościowe, mimo tego w chwili obecnej można przewidzieć rok wyczerpania zasobów paliw naturalnych. W raporcie Polskiego Komitetu Światowej Rady Energetyki pt. ektor energii w Polsce wynika że zasoby węgla w Polsce wynoszą 54700mln ton. Przy poziomie zużycia 117mln ton rocznie zasoby te starczą na 470lat co jest dwukrotnie niższe, niż wskaźnik w skali światowej. Według naukowców największym zagrożeniem dla środowiska naturalnego nie jest wyczerpanie naturalnych zasobów paliwowych, lecz globalne zanieczyszczenie środowiska substancjami ze spalania paliw tj. tlenkami węgla, siarki i azotu. W wyniku spalania oprócz ciepła, tlenków powstają w przypadku paliw stałych popioły i żużle. kład spalin może się różnic w zależności w jakiej temperaturze, stosunku ilości powietrza do paliwa, rodzaju paleniska, palnika, kotła oraz od samego rodzaju paliwa przeprowadza się proces spalania i wielu innych czynników. Głównymi składnikami spalin ze spalania paliw stałych są: CO, O, CO, NO x, H O, sadza i pył. w przypadku paliw ciekłych i gazowych nie ma w spalinach pyłu, a w przypadku gazu ziemnego nie ma O. W celu przeciwdziałania ociepleniu się klimatu oraz groźbie wyczerpania zapasów paliw naturalnych międzynarodowe organizacje podjęły szereg działań w wyniku których powstały liczne dokumenty m.in. Protokół z Kioto o ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych 1997 r. który zobowiązuje Polskę do redukcji gazów cieplarnianych. 1

2 Jedną z głównych dróg zmierzających w przeciwdziałania negatywnym zjawiskom towarzyszącym zużyciu surowców jest zwiększanie w bilansie paliwowo-energetycznym udziału źródeł odnawialnych. Przewiduje się, że w przeciągu kilkudziesięciu lat połowa energii będzie pochodzić ze źródeł odnawialnych. Wiatr jest jednym z odnawialnych źródeł energii. Powstaje on z wyniku nierównomiernego ogrzewania się mas powietrza. Różnica temperatur powoduje nierównomierny rozkład ciśnienia atmosferycznego a naturalna tendencja do wyrównywania ciśnienia powoduje ruch nazwany wiatrem. Wiatr można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej kiedy jego prędkość jest w granicach od 4 do 5m/s. Równie ważna co do prędkości wiatru jest jego regularność występowania w jednym miejscu, albowiem od tego zależy ilość wyprodukowanej energii elektrycznej w ciągu roku. A co za tym idzie opłacalność ekonomiczna poczynionej inwestycji. Energia wiatrowa ma znaczny potencjał do wykorzystania. zacuje się że z technicznego punktu widzenia światowe zasoby energii wiatrowej nadające się do wykorzystania to TW h/rok czyli ilość trzykrotnie wyższa od światowego zużycia energii. Obecnie przewiduje się że energia wiatrowa do 00 roku ma stanowić udział 1 % w światowej produkcji energii elektrycznej. Na świecie największymi producentami energii elektrycznej z wiatru są tany Zjednoczone, Niemcy, Chiny i Dania. Ponadto Dania jest największym producentem turbin wiatrowych, ponadto do 030 roku planuje się tam zwiększyć udział udział energii wiatrowej w ogólnym bilansie energii elektrycznej do 50%. W obecnej chwili istnieje duża różnorodność w rozwiązaniach technicznych siłowni wiatrowych. Oprócz małych elektrowni wiatrowych o mocy od kilku kw istnieją też siłownie o mocy 1,67MW(dane z 008r.). Obecnie górna granica mocy pojedynczej turbiny wynosi 5-6MW dla turbin zwykle instalowanych na pasach wód przybrzeżnych i nadmorskich brzegach. Jednak obecna tendencja w produkcji siłowni zmierza do instalowania jednostek o możliwie jak największej mocy lub skupiania większej ilości siłowni o mniejszej mocy jednostkowej na morzu lub zwartym terenie (tzw. farmy wiatrowe). Przykładem tutaj może być farma wiatrowa w Zatoce Pomorskiej która składa się z 00 turbin zakotwiczonych na dnie, o łącznej mocy 1000MW. Zależności opisujące energie wiatru. Energie kinetyczna wiatru opisuje zależność (, 3): mv E kw = [J] (1) gdzie: v - prędkość wiatru [m/s], m masa powietrza przenoszona prze wiatr [kg] Jeżeli uwzględnimy, że: * V = Avt * M = ρv () (3)

3 gdzie: V* - objętość przenoszonej prze wiatr masy powietrza [m 3 ], A powierzchnia wirnika [m ], t czas przepływu powietrza [s], przez prostopadle ustawioną do kierunku wiatru pow. A. Z powyższych założeń otrzymamy: 1 = ρ Av t (4) E kw 3 Moc turbiny odpowiadająca energii zależy od prędkości wiatru która jest funkcją wysokości h [m], opisanej zależnością (8): E W kw 1 h = (5) h kw 3a 1 3a gdzie: a współczynnik szorstkości terenu, prędkości wiatru, czasu uśredniania wiatru oraz warunków atmosferycznych. Prędkość wiatru przy powierzchni Ziemi jest równa zeru z uwagi na siły tarcia, natomiast do wysokości 100m przypada ¼ całkowitej energii wiatru. Przetwarzanie energii wiatrowej na mechaniczną a następnie na elektryczną odbywa się w turbinach wiatrowych, przy czym istotnymi parametrami są tutaj wielkość łopatki wirnika i wysokość wieży na której jest osadzona turbina. Moc silnika wiatrowego opisana jest zależnością (3, 4): P d e 1 d C z D D op 3 = 1 πd v ρ 1 e D + [W] (6) + CN 3 z 4 gdzie: e- współczynnik wykorzystania energii wiatru (e = 0,3 0,5), C N, C op współczynnik odpowiednio siły nośnej i oporu, będący funkcją kształtu profila śmigła, d /D.- zmniejszenie powierzchni przepływu wskutek obecności piast o średnicy d, D średnica turbiny i d w metrach, z wyróżnik szybkościobieżności tj. stosunek prędkości obwodowej końca wirnika u [m/s], do prędkości wiatru v [m/s], który zależy od typu turbiny wiatrowej. [1] oraz dalej u z = (7) v ωd z = (8) v d 3

4 Budowa elektrowni wiatrowej. Elektrownia wiatrowa składa się z: 1. Fundament. Wyjście do sieci elektroenergetycznej 3. Wieża 4. Drabinka wejściowa 5. erwomechanizm kierunkowania 6. Gondola 7. Generator 8. Wiatromierz 9. Hamulec postojowy 10. krzynia przekładniowa 11. Łopata wirnika 1. iłownia mechanizmu przestawiania 13. Piasta Rys. 1 Budowa elektrowni Wiatrowej [5] Turbiny wiatrowe można podzielić na następujące typy [1]: szybkobieżne z > 3,5 (silniki śmigłowe, anemony Darrieusa) średniobieżne 1,5 < z < 3,5 (wiatraki, wielopłatowe) wolnobieżne z < 1,5 (bębnowe, rotorowe, karuzelowe,) Turbiny możemy także podzielić na : turbiny o pionowej osi obrotu: - turbina Darrieusa - turbina avoniusa Nie powinno się stosować tej turbiny w miejscach o nienajlepszych warunkach wiatrowych ponieważ nie może osiągnąć większej prędkości obrotowej niż prędkość wiejącego wiatru. Turbina avoniusa nie nadaje się do produkcji energii elektrycznej za to można ją stosować np. do pompowania wody. Turbiny te są mniej wydajne niż turbiny o poziomej osi obrotu. 4

5 turbiny o poziomej osi obrotu - turbiny z wirnikiem który znajduje się przed masztem - turbiny z wirnikiem zamocowanym za masztem ą to najbardziej rozpowszechnione typy turbin na świecie. Turbiny o wirniku zamontowany za masztem są rzadko stosowane z uwagi na straty energii wiatru powstałe na skutek częściowego zasłonięcia wirnika przez maszt. Budowa turbiny o poziomej osi obrotu. Rys. Budowa turbiny [4] Turbina wiatrowa składa się z wirnika zamieniającego energie wiatru na energie mechaniczną. Wirnik jest osadzony na wale wolnoobrotowym i zazwyczaj składa się z trzech łopat (wykonanych ze wzmocnionego poliestrem włókna szklanego), które maja możliwość zmiany położenia względem strumienia powietrza. Obroty wirnika zazwyczaj mieszczą się w przedziale od 15 do 30 na Obr/min. Wał wolnoobrotowy połączony jest z przekładnią która zwielokrotnia obroty do Obr/min. Następnie przez wał szybkoobrotowy energia mechaniczna jest przekazywana do generatora prądu który zamienia ja na energie elektryczną. Generator prądu, wał wolno i szybkoobrotowy, hamulec, układ chłodzenia i smarowania umieszczone są w gondoli. Gondola wraz z wirnikiem umieszczona jest na stalowej wieży której wys. wynosi od 30 do 135m. Na szczycie wieży znajduje się też mechanizm zmiany kierunku którego zadaniem jest ustawienie gondoli i wirnika w kierunku wiatru. Turbiny wiatrowe wyposażone są w systemy sterowania które zbierają informacje o sile i kierunku wiatru oraz innych parametrach atmosferycznych z anemometrów i innych czujników umieszczonych w górnej części gondoli. ystem zbiera informacje i pozwala uniknąć mechanicznych uszkodzeń oraz umożliwia jak najefektywniejsze wykorzystanie 5

6 turbiny. Na przykład gdy prędkość wiatru spadnie poniżej 3 m/s system włącza hamulec (produkcja prądu nieopłacalna), wiat powyżej prędkości 5 m/s zagraża konstrukcji turbiny i niezbędne jest wyłączenie turbiny. Budowa nowoczesnej turbiny firmy Vestas. Rys 3. Turbina wiatrowa Vestas V80 ( MW) [6] 1) sterownik piasty ) cylinder systemu sterowania łopatami 3) oś główna 4) chłodnica oleju 5) skrzynia przekładniowa 6) sterownik VIP z konwerterem 7) hamulec postojowy 8) dźwig serwisowy 9) transformator 10) piasta wirnika 11) łożysko łopaty 1) łopata 13) układ blokowania wirnika 14) układ hydrauliczny 15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika 16) pierścień układu kierunkowania 17) rama 6

7 18) koła zębate układu kierunkowania 19) generator 0) chłodnica generatora. Generatory Generatory są odpowiedzialne za przetwarzanie energii mechanicznej silnika wirowego na energie elektryczną przy stałej lub zmiennej prędkości obrotowej wału silnika. Większość współczesnych elektrowni wiatrowych jest wyposażona w generatory asynchroniczne indukcyjny o stałej prędkości obrotowej. Korzyścią ze stosowania takiego typu generatora jest łatwość podłączenia do sieci energetycznej, natomiast wadą jest konieczność stosowania przekładni obrotowej która stanowi najbardziej awaryjny i hałaśliwy element siłowni wiatrowej. prawność takiego generatora znacznie spada przy prędkości obrotowej mniejszej od nominalnej. Największa moc użyteczna tego generatora jest osiągana przy możliwie jak największej prędkości obrotowej wału silnia znacznie przekraczającej prędkość obrotową wirnika. Generatory o zmiennej prędkości obrotowej nie posiadają przekładni obrotowej, ponieważ wytwarzają energie elektryczna już przy małych prędkościach obrotowych i mogą być bezpośrednio podłączone do wirnika. Dzięki wyeliminowaniu przekładni generatory te są mniej hałaśliwe, prostsze w budowie i mniej awaryjne. Zmienne obroty zwiększają wydajność i sprawność takiej elektrowni. Problem jednak występuje w trakcie podłączenia do sieci energetycznej. Konieczne jest stosowanie przemienników częstotliwości i napięcia. ieć posiada bowiem odmienne parametry energii elektrycznej niż produkowana energia z generatora. Tego rodzaju generatory są rzadziej stosowane z uwagi na wysokie koszty produkcji i niewielką liczbę producentów. Generatory powinny charakteryzować się dużą niezawodnością oraz powinny utrzymywać stałe parametry tzn. napięcie i częstotliwość wytwarzanego prądu. Transformatory dla elektrowni wiatrowych tosuje się je w celu podłączenia siłowni wiatrowej do sieci elektroenergetycznej. Charakteryzują się one małymi rozmiarami w porównaniu z klasycznymi transformatorami dzięki czemu można bez problemu zamontować je we wnętrzu wieży elektrowni. Transformatory tez regulują napięcie i częstotliwość energii elektrycznej pozyskanej z generatora do zgodnego z parametrami sieci elektrycznej. 7

8 Energetyka wiatrowa w Polsce W Polsce istnieją miejsca w których możliwe jest wykorzystanie energii wiatrowej do produkcji energii elektrycznej. Zajmują one ok. 40 % powierzchni całego kraju. Rys. 4 trefy energetyczne wiatru w Polsce [7] Z mapy wynika że ja najkorzystniejsze warunki wiatrowe w Polsce znajdują się w: - środkowe, najbardziej wysunięte na północ części wybrzeża - rejon wyspy Wolin - środkowa Wielkopolska i Mazowsze - Beskid Żywiecki i Śląski - Bieszczady Jedna prędkość wiatru może lokalnie się zmieniać. Związane jest to z warunkami ukształtowania terenu. Średnia prędkość wiatru dla Polski wynosi latem,8 m/s, a zimą 3,8 m/s. 8

9 Według danych Urzędu regulacji energetyki wynika, że w Polsce do sieci podłączonych jest 53 elektrowni wiatrowe które razem mają moc 459MW. W niedługim czasie w Polsce możemy spodziewać się wzrostu zainstalowanych siłowni do mocy GW. Wzrost ten jest spowodowany między innymi przez programy wsparcia energetyki wiatrowej. Środki są pozyskiwane z Funduszu pójności w ramach Osi priorytetowej. Realizowane są też Regionalne Programy Wsparcia w tym środki z Programu Rozwoju Obszarów Wiejskich a także można skorzystać ze środków unijnych rozdzielanych przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Zalety i wady energetyki wiatrowej. Zalety energetyki wiatrowej to: zmniejszenie zużycia energii z nieodnawialnych źródeł, minimalne koszty pozyskiwania energii, możliwość budowania przydomowych turbin, zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych. Energetyka ta daje też możliwość zagospodarowania terenów słabo zaludnionych, oddalonych od krajowej sieci energetycznej oraz zwiększa udział odnawialnych źródeł energii w ogólnym bilansie energetycznym. Jak każda technologia energia wiatrowa posiada też wady. ą to między innymi: wysokie koszty inwestycyjne i koszty eksploatacji, ingerencja w krajobraz, hałas turbin, zależność od wiatru(cykliczność pracy), wprowadzanie zakłóceń do sieci energetycznych, zagrożenie dla ptactwa oraz zakłócają odbiór fal radiowych i telewizyjnych. Jednak pomimo wad energetyka wiatrowa to jedna z najtańszych, niewyczerpalnych, przyjaznych środowisku technologii wytwarzania energii elektrycznej, pozwalająca zredukować emisje dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, tlenków azotu i pyłów. Pozwala również uniknąć zanieczyszczenia gleb, degradacji terenu, powstawaniu odpadów gazowych i stałych, odorów i ścieków, które towarzyszą produkcji energii przez źródła konwencjonalne. Wybudowanie jednej elektrowni wiatrowej o mocy 300 kw pozwala zmniejszyć emisję O o 7 ton, CO o 1000 ton, popiołów o 60 ton, NO X o 5 ton w skali roku. 9

10 Bibliografia: [1] Grażyna Jastrzębska, Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne, Warszawa, WNT 008. [] Witold M. Lewandowski, Proekologiczne odnawialne źródła energii, Warszawa, WNT 010. [3] Paweł Choromański, GLOBEnergia, NR 1/010 [4] [5] [6] [7 ] 10