POLITECHNIKA POZNAŃSKA. Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania

POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Instytut Mechaniki Stosowanej PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA Możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu wirnika aerogeneratora na prąd. Student: Wojciech ADAMCZAK Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn Specjalność: Mechatronika Kierujący pracą: prof. Czesław CEMPEL Koreferent: dr inż. Maciej TABASZEWSKI 1

III. POZ Wojciech ADAMCZAK :Możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu wirnika aerogeneratora na prąd elektryczny. SPIS TREŚCI Streszczenie / Introduction...1 I. Wstęp...2 II. Miejsce energetyki wiatrowej we współczesnym świecie...2 2.1 Ogólny zarys proekologicznych tendencji...2 2.2 Polityka energetyczna państwa, dyrektywy unijne, prognozy rozwoju...5 2.3 Uwarunkowania środowiskowe do wykorzystania aerogeneratorów...8 2.4 Wnioski...9 Efektywność przetwarzania energii strugi powietrza na prąd w znanych aerogeneratorach małej mocy...11 3.1. Efektywność przetwarzania, teoria, sposób obliczeń...11 3.2. Opracowanie danych technicznych popularnych instalacji...15 3.3. Opracowanie danych technicznych rzadko spotykanych instalacji,...18 3.4. Efektywność przetwarzania energii w aerogeneratorach VAWT...22 3.5. Szacunek kosztów wytwarzania energii w siłowni wiatrowej...29 3.6. Wnioski...30 IV. Koncepcje przetwarzania ruchu wirnika na prąd stosowane rozwiązania...31 4.1. Czynniki decydujące o wyborze danego rozwiązania...31 4.2. Stosowane obecnie rozwiązania, ogólna charakterystyka generatorów...31 4.2.1. Generatory asynchroniczne...32 4.2.2. Generatory synchroniczne...36 4.2.3. Generatory przeznaczone do pracy na sieci wydzielonej...39 4.3 Wnioski...40 V. Podatność wirników aerogeneratora na bezpośrednie przetwarzanie...42 5.1 Warianty konstrukcyjne wirnika aerogeneratora...42 5.2 Podatność wirników aerogeneratora na bezpośrednie przetwarzanie...43 5.3 Wnioski...48 VI. Propozycje realizacji idei bezpośredniej generacji prądu... 50 6.1 Proponowane konstrukcje dla sieci zawodowych...50 6.2 Bezpośrednia generacja prądu z ruchu wirnika dla aerogeneratorów HAWT...51 6.3 Bezpośrednia generacja prądu z ruchu wirnika dla aerogeneratorów VAWT...54 6.4 Bezpośrednia generacja prądu z energii wiatru za pomocą el. piezo....57 2

6.5 Wnioski...60 VII. Podsumowanie...61 7.1 Elektrownie przeznaczone do pracy w sieci zawodowej...61 7.2 Turbiny do pracy w sieci wydzielonej...62 7.3 Generacja prądu z energii wiatru bez wykorzystania wirników...63 7.4 Wnioski...63 Literatura / źródła...65 Spis rysunków...69 Spis tabel...70 Załącznik1...71 Załącznik2...74 Załącznik3...76 Załącznik4...77 Załącznik5...79 Załącznik6...85 3

Wprowadzenie. Tematem tej pracy dyplomowej są: Możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu wirnika aerogeneratora na prąd. W pierwszej części pracy przedstawiono sytuację na rynku energii oraz pozycję energetyki wiatrowej na tle innych odnawialnych źródeł energii. W dalszej kolejności zostały przedstawione istniejące, charakterystyczne konstrukcje wirników aerogeneratorów. Zostały one porównane ze sobą. Zastosowano podział na elektrownie pracujące dla sieci zawodowych oraz dla sieci zamkniętych. W porównaniach korzystano z danych technicznych podawanych przez producentów bądź dystrybutorów elektrowni wiatrowych. W kolejnej części pracy zaprezentowano stosowane metody przetwarzania ruchu wirnika na prąd w elektrowniach dużej i małej mocy. Przedstawiono również stosowane warianty konstrukcyjne oraz oceniono je pod kątem podatności na zrealizowanie za ich pomocą bezpośredniego przetwarzania ruchu wirnika na prąd. W ostatniej części pracy zaprezentowano, teoretycznie możliwe do zastosowania rozwiązania bezpośredniej generacji prądu z ruchu wirnika aerogeneratora, oraz generacje prądu z energii wiatru przy użyciu elementów płaskich. Dokonano oceny rozwiązań pod kątem ewentualnych zysków i strat, a także rozważono możliwości zastosowania ich w praktyce. Introduction. The subject of this master s paper is : The ability and effectiveness of the direct exchange of wind motor movement into electric current. In the first part of this paper the situation on the power market and the position of wind energy is presented on the background of other renewable energy sources. Later, some existing characteristic constructions of aerogenerator s rotors are presented and compared. A division into power plants working for proffessional networks and for closed networks. In comparisons the technical data given by producers and distributors of wind power plants were used. In the next part of this paper some methods of transforming the rotor s movement into electric current applied in power plants of big and small power are presented. There are also shown some used constructional variants, which are evaluated from the point of view of their usefullness in the realisation of direct exchange of rotor s movement into power. In the last part of this paper there are presented some theoretically possible solutions which can be used to produce power directly from aerogenerator s rotor s movement and to produce power from wind energy with the use of flat elements. An evaluation of solutions from the point of view of profits of losses was carried out and, what is more, some possibilities of their usage in practice were considered. 4

I. Wstęp. Elektrownie wiatrowe są jednym z przyszłościowych rozwiązań w dziedzinie energetyki. Mają zapewnioną istotna pozycje w programach strategii energetycznej dla krajów zachodnio europejskich. Liczne programy prowadzone w Europie mają na celu promowanie tego sposobu pozyskiwania prądu elektrycznego a poszukiwanie bardziej efektywnych rozwiązań konstrukcyjnych samych aerogeneratorów staje się istotnym punktem programów proekologicznych w wielu krajach. Jednakże aerogeneratory to nie tylko wielkie elektrownie stworzone z myślą o energetyce zawodowej. Wiele zastosowań mogą znaleźć systemy stworzone do pracy w układach zamkniętych (podgrzewanie zbiorników wodnych, ładowanie pieców akumulacyjnych, zasilanie pomp nawadniających). Aerogeneratory nastawione na pracę w układach zamkniętych nie muszą generować prądu o ściśle ustalonych, niezmiennych parametrach wymaganych w sieciach przesyłowych. Pozwala to na większą swobodę przy projektowaniu tych urządzeń i ułatwia wprowadzenie nowatorskich rozwiązań. W mojej pracy będę starał się przedstawić: możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu wirnika aerogeneratora na prąd elektryczny. Zaprezentuje istniejące już rozwiązania, zarówno te przeznaczone do współpracy z liniami przesyłowymi, jak i te które pracują w układach zamkniętych. Postaram się przedstawić moje propozycje na zwiększenie efektywności uzyskiwania prądu z wiatru i porównam je z istniejącymi rozwiązaniami. Spróbuję odpowiedzieć na pytanie, czy nowatorskie rozwiązania są lepsze od konstrukcji najbardziej rozpowszechnionych i dopracowanych, oraz czy potencjalne korzyści, które za sobą niosą nie przewyższają potencjalnych problemów, które mogą stwarzać. Dane do porównań będę czerpał z udostępnianych przez producentów dokumentacji technicznych ich wyrobów, materiałów prezentowanych przez firmy zajmujące się sprzedażą elektrowni wiatrowych, oraz wszelkich dostępnych publikacji dotyczących energetyki wiatrowej. Z racji dość skromnej liczby dostępnych książek poświęconych pozyskiwaniu prądu z energii wiatru, większość materiałów będę pozyskiwał za pośrednictwem internetu, ze stron internetowych producentów turbin wiatrowych oraz specjalistycznych serwisów zarówno polskich jak i zagranicznych (głównie duńskich i niemieckich). II. Miejsce energetyki wiatrowej we współczesnym świecie. 2.1 Ogólny zarys proekologicznych tendencji w sektorze energetycznym. Współczesna energetyka ma przed sobą nowe wyzwania. Zwiększająca się świadomość ekologiczna niejako wymusza pozyskiwanie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Najbardziej rozpowszechnionym i dostępnym sposobem na wykorzystanie energii odnawialnej na świecie są aerogeneratory. Istnieje wiele, ciekawych i efektywnych rozwiązań proekologicznych takich jak elektrownie solarne, wykorzystanie biomasy( wierzba, słoma, biogaz), elektrownie wodne czy też tzw. wytwarzanie w skojarzeniu, czyli kogeneracja [1, 39]. Elektrownie wodne są źródłem taniej, czystej energii. W skali globalnej zajmują pierwsze miejsce jeżeli chodzi o pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych, jednakże budowa dużych elektrowni wodnych pochłania olbrzymie pieniądze, ma kolosalny wpływ na ekosystem w którym powstaje( proekologiczność staje się dyskusyjna), oraz ogranicza obszar ich zastosowań do obszarów o dużych zasobach wodnych. Najpowszechniej stosowane rozwiązanie kogeneracyjne polega na tym, że jednostka tego typu wytwarza zarówno energię elektryczną jak i cieplną. Energia cieplna ma formę 5

pary. Elektrownia wytwarzająca w skojarzeniu składa się z 3 głównych elementów: turbiny gazowej, połączonego z nią generatora oraz kotła do odzysku ciepła spalin. Mieszanka sprężonego powietrza i gazu ziemnego spalana jest w komorze spalania turbiny gazowej. Gazy o temperaturze osiągającej od 1200 C do 1300 C napędzają łopatki turbiny gazowej, która połączona jest poprzez wał z generatorem. Generator zamienia energię mechaniczną na elektryczną. Spaliny wylotowe z turbiny (o temperaturze ok. 500 C) skierowane są do kotła odzysku ciepła, gdzie oddają swoje ciepło i przekształcają wodę zasilającą kocioł w wysokociśnieniową, przegrzaną parę wodną. [38] Zastosowanie kogeneracji na skalę przemysłową daje lepsze wykorzystanie energii zawartej w paliwach, wzrost sprawności urządzeń a tym samym redukcję zużycia paliw i produkcji zanieczyszczeń (patrz załącznik 3). Do systemów kogeneracyjnych można także zaliczyć samochody o napędzie hybrydowym, spalinowo elektrycznym, które dysponują bardzo dobrą dynamiką przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu spalania, oraz dużym odzyskiem energii bezpowrotnie traconej w zwykłych samochodach ( np. podczas hamowania energia nie jest bezpowrotnie tracona przez nagrzewanie tarcz hamulcowych ale jest przekazywana do prądnic ładujących akumulatory silnika elektrycznego). Systemami kogeneracyjnymi są także współczesne kotły gazowe odzyskujące ciepło spalin, które w starych kotłach ulatują kominem ( kocioł z odzyskiem ciepła ze spalin oddaje zimne spaliny stąd konieczność stosowania kwasoodpornych wkładów kominowych ), jak również systemy ogrzewania budynków współpracujące z układami odzysku ciepła uciekającego kanałami wentylacyjnymi. Układ zaopatrywania budynków mieszkalnych w ciepłą wodę przy wykorzystaniu kolektorów słonecznych oraz małej elektrowni wiatrowej to także wytwarzanie w skojarzeniu. Przy bezchmurnym niebie i braku wiatru pracują tylko kolektory, przy dużym zachmurzeniu i wietrznej pogodzie tylko wiatrak. Jeżeli wystąpią dobre warunki nasłonecznienia i wietrzności mogą działać zarówno kolektory jak i wiatrak, a nadmiar energii może zostać zmagazynowany w baterii akumulatorów. Jak widać idea kogeneracji jest szeroka i na dużą skale wdrażana np. w nowo budowanych domach, czy produkowanych masowo samochodach (np. dostępna w Polsce TOYOTA PRIUS). Pozostałe proekologiczne sposoby pozyskiwania energii w skali światowej można potraktować raczej jako ciekawostki. W Polsce przyszłościowym rozwiązaniem wydaje się być spalanie biomasy( planuje się spalanie w elektrociepłowniach mieszanki wierzby opałowej i węgla). W warunkach krajowych jest to jeszcze wzmocnione faktem, że 1,7mln hektarów ziemi ornej leży odłogiem [2]. Ciekawym rozwiązaniem wydaje się też pozyskiwanie biogazu z odpadów po produkcji rolniczej. Jest to rozwiązanie raczej dla dużych ferm produkcji zwierzęcej. Koszt budowy instalacji biogazowej o pojemności 200m 3, przeznaczonej dla 200DJP (duże jednostki przeliczeniowe), z komorami gnojowymi i płytą kompostową oszacowano na 300 000 400 000 PLN. Technologia ta jest opłacalna przy przerobie 5-7 ton odpadów płynnych w ciągu doby [1, s264]. Wydaje się jednak w najbliższej przyszłości najbardziej dostępnym i możliwym w zastosowaniu sposobem na zwiększenie produkcji energii ze źródeł odnawialnych jest rozpowszechnienie generatorów wiatrowych. Za wykorzystaniem aerogeneratorów w produkcji energii przemawia też to, iż zasoby naturalne-kopaliny,z których korzystamy kiedyś się skończą (rys. 1.). 6

Rys. 1. Zasoby kopalin materiałów i energii wg innych źródeł [2]. Następstwa kryzysu energetycznego mogą być bardzo poważne, co zostało zobrazowane (rys. 2.) w odniesieniu do jednego z najważniejszych mediów energetycznych naszych czasów ropy naftowej. Energetyka wiatrowa od początku lat 90-tych przeżywa burzliwy rozwój. Wielkość nowo instalowanej mocy w elektrowniach wiatrowych wzrastała przez ostatnich 8 lat przeciętnie o 40% rocznie, czyniąc energetykę wiatrową jedną z najszybciej rozwijających się gałęzi przemysł [27]. Rys. 2. Produkcja ropy i jej prognoza skojarzona z prognozą danych demograficznych i zanieczyszczenia [2]. Rozwój ten to zasługa prowadzonej polityki ukierunkowanej na umożliwienie energii wiatrowej konkurowania z już istniejącymi technologiami i uznającej korzyści płynące z energii wiatrowej, które przeważnie nie są zawarte w cenach elektryczności płaconych przez konsumentów(chodzi tutaj głównie o korzyści ekologiczne, ale także o ożywienie gospodarcze rejonów nieuprzemysłowionych, typowo rolniczych, o niskich klasach ziemi uprawnej). 7

2.2 Polityka energetyczna w Polsce, dyrektywy unijne, prognozy rozwoju. W ciągu ostatniego dziesięciolecia skumulowana, zainstalowana moc wyjściowa elektrowni wiatrowych wzrastała z prędkością ponad 32% rocznie, do całkowitej wielkości prawie 13000 MW w całej Europie na koniec roku 2000, co obrazuje poniższy wykres(rys. 3.). [5] W roku 2000 Europejskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej zwiększyło swój cel dotyczący mocy elektrowni wiatrowych zainstalowanych w UE z 40 GW do 60 GW do roku 2010 [elektrownie wiatrowe], co potwierdza poważne traktowanie aerogeneratorów jako jednego z filarów produkcji energii elektrycznej. Rys3. Przyrost mocy generowanej przy pomocy generatorów wiatrowych w UE na tle produkcji światowej w latach 1990-2000 [5]. Prędkość, z jaką instalowane są nowe moce, w rzeczywistości wzrastała w tym samym okresie średnio o ponad 40% rocznie (rys 4) [5]. Polityka wspierania rozwoju energetyki wiatrowej przyjmuje różne formy: finansowanie badań i rozwoju energetyki wiatrowej z budżetu państwa, polityka rozwoju rynku energii odnawialnych itp.. Rys. 4.Procentowy przyrost mocy generowanej przez aerogeneratory w UE na tle świata [5]. Inne obszary polityki, nie będące z pozoru powiązane z sektorem energetycznym mogą mieć znaczący wpływ na wykorzystanie energii wiatru. Są to takie zagadnienia jak: 8

polityka dotycząca zmian klimatycznych oraz przepisy ochrony środowiska, np. z zakresu lokalnego zanieczyszczenia powietrza(chodzi tutaj głównie o emisję szkodliwych związków chemicznych do atmosfery), planowanie rozwoju gospodarczego i regionalnego, środki zapewnienia bezpieczeństwa dostaw energii( w przypadku Polski byłoby to np. uniezależnienie się od dostaw gazu z Rosji). O tym, że Europa jest swoistym światowym zagłębiem produkcji energii za pomocą aerogeneratorów świadczy jej udział w światowej produkcji energii (rys 5.) Rys. 5. Całkowita produkcja energii pozyskanej z wiatru na świecie[6]. Wszystkie trzy instytucje, Rada, Komisja i Parlament Europejski wypowiadają się w sprawie poparcia dla działań ochrony środowiska przyczyniających się do redukcji zmian klimatycznych. Taka polityka jest zgodna z zobowiązaniami UE do stosowania się do założeń Protokołu z Kioto. Obecnie w niewystarczającym stopniu korzysta się z odnawialnych źródeł energii. Wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii na szerszą skale przyczyni się do ograniczenia efektu cieplarnianego. Dyrektywa ustala cele do osiągnięcia przez Państwa Członkowskie przyczyniające się do realizacji polityki promocji odnawialnych źródeł energii na rynku energetycznym. Zgodnie z założeniami Dyrektywy cele te muszą być zgodne z globalnym założonym celem osiągnięcia 12% całkowitego krajowego zużycia energii do 2010r. Ponadto, do 2010r. odnawialne źródła energii na wewnętrznym rynku krajowym muszą stanowić 22,1% całkowitej produkcji energii [8]. Dyrektywa wymaga podjęcia środków gwarantujących przesył i dystrybucję energii elektrycznej wyprodukowanej w odnawialnych źródłach energii. W tym celu wprowadzono przepisy zobowiązujące operatorów do zapewnienia pierwszeństwa w świadczeniu usług przesyłowych energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w krajowym systemie elektroenergetycznym. Polska jako nowy członek Unii Europejskiej będzie musiała również realizować ten program. W proponowanym projekcie zmian prawa energetycznego z dnia 9.01.2004 zakłada się nałożenie obowiązku zakupu lub wytworzenia energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, na przedsiębiorstwa energetyczne zajmujące się sprzedażą energii elektrycznej. Maja one zapewnić objęcie całej ilości energii elektrycznej wytwarzanej w kraju, według zasad wymaganych w dyrektywie UE oraz realizację celu produkcji energii ze źródeł odnawialnych na poziomie 7,5 % energii elektrycznej zużywanej brutto w kraju dla 2010 roku. Poniższa tabela obrazuje jak wygląda sytuacja w Polsce jeżeli chodzi o produkcje energii z wiatru, na tle reszty Europy (tabela 1.) Tabela 1.Wykaz zainstalowanych mocy w poszczególnych krajach [6]. 9

Rynki energetyki wiatrowej 2001 roku (zainstalowanej mocy w MW) całkowita koniec 2002 2002 koniec roku przyłączona całkowita USA 4,275 410 4,685 Północna Ameryka 4,473 450 4,923 Niemcy 8,754 3,247 12,001 Hiszpania 3,337 1,493 4,830 Dania 2,489 497 2,880 Włochy 682 103 785 Holandia 486 217 688 Wielka Brytania 474 87 552 Szwecja 293 35 328 Grecja 272 4 276 Portugalia 131 63 194 Francja 93 52 145 Austria 94 45 139 Irlandia 124 13 137 Belgia 32 12 44 Finlandia 39 2 41 Luksemburg 15 1 16 Całkowita UE 17,315 5,871 23,056 Norwegia 17 80 97 Ukraina 41 3 44 Polska 22 5 27 Reszta Europy 123 112 235 Reszta całkowita 2,479 435 2,914 Tabela2.Wykaz zainstalowanych w Polsce siłowni wiatrowych, stan na rok 2002 [27]. lp. Miejsce zainstalowania 1 Lisewo / woj. Pomorskie 2 Swarzewo / woj. Pomorskie 3 Zawoja k. Bielsko- Białej Ilość szt. Moc elektrowni (kw) Moc farmy (kw) Producent Użytkownik Rok startu 1 150 150 Nordtank Elektrownia Żarnowiec 1 95 95 Folkecenter Energa - Gdańsk 1991 1991 1 160 160 Nowomag klasztor 1995 4 Wrocki 1 160 160 Nowomag prywatny 1995 10

5 Kwilcz / woj. Wielkopolskie 1 160 160 Nowomag gmina 1996 obecnie nieczynna 6 Słup k. Legnicy 1 160 160 Nowomag gmina 1997 7 Rembertów / woj. Mazowieckie 8 Starbiewo / woj. Pomorskie 9 Swarzewo / woj. Pomorskie 10 Rytro k.nowego Sącza 1 250 250 Lagerway Van Melle - Poland 1 250 250 Nordex Kaszubski Uniwer. Ludowy 2 600 1200 Tacke WestWind - Poland 1997 1997 1997 1 160 160 Nowomag prywatny 1994 11 Cisowo k. Darłowa 5 132 660 SeeWind prywatny 1999 12 Rymanów k.krosna 2 160 320 Nowomag gmina 2000 13 Nowogard 1 255 255 Vestas gmina 2000 14 Barzowice 6 850 5100 Vestas prywatny 2001 15 Cisowo k. Darłowa 9 2000 18000 Vestas prywatny 2001 16 Zagórze k. Wolina 15 2000 30000 Vestas Elsam 2002 RAZEM 49 57080 [kw] 2.3 Uwarunkowania środowiskowe do wykorzystania aerogeneratorów w produkcji energii elektrycznej. Eksploatacja elektrowni wiatrowych nie powoduje zanieczyszczeń gleb, wód podziemnych i powierzchniowych, nie powstają żadne opady, ani szkodliwe dla człowieka promieniowanie. Elektrownie wiatrowe mogą powodować następujące uciążliwości dla otoczenia [30]: Zakłócenia wizualne, Zagrożenia klimatu akustycznego (chociaż wiadomo, że współczesne turbiny wiatrowe spełniają wszelkie obowiązujące normy dotyczące emitowanego hałasu praca magisterska Marcina KRAJDOCHY ) Zagrożenia dla przelatujących ptaków, Zakłócenia fal radiowych i telewizyjnych. Zagrożenia klimatu akustycznego. Pracująca elektrownia wiatrowa wytwarza hałas(rys. 6.). Pochodzi on głównie od obracających się łopat wirnika (opory aerodynamiczne) i w mniejszej części generatora i przekładni. Jak można zaobserwować, zmniejszanie ilości elementów łańcucha przenoszenia energii może przynieść nie tylko korzyści w postaci większej sprawności układu, ale także obniżenia poziomu hałasu. 11

Rys. 6.Rozkład natężenia dźwięku dla elektrowni firmy VESTAS o mocy1650kw[29]. Jednym z argumentów przeciw rozwijaniu energetyki wiatrowej jest rzekome zagrożenie dla ptaków stwarzane przez wiatraki, jednak dane przedstawione na rys 7. zdają się temu zaprzeczać. Dzięki wyprodukowaniu 1kWh energii elektrycznej w elektrowni wiatrowej zahamowaniu ulega emisja do atmosfery( w porównaniu z elektrownią węglową) takich zanieczyszczeń[1, s82]: o 5,5g SO 2 o 4,2g NO x o 700g CO 2 o 49g pyłów i żużlu Rys 7. Liczba zabitych, przez różne przyczyny, ptaków w Holandii [30]. Być może podane powyżej wartości nie wydają się być imponujące, ale wystarczy przemnożyć je przez ilość energii która ma zostać wyprodukowana w 2005 roku( w Polsce) za pomocą elektrowni wiatrowych( 450 MWh), aby uzyskane wartości redukcji szkodliwych wyziewów były znaczące. 2.4. Wnioski. Elektrownie wiatrowe zyskują co raz bardziej znaczącą pozycję w świecie energetyki. Mają tam zapewnione miejsce dzięki obowiązującym regulacją prawnym, które mają zapewnić zwiększenie udziału energii uzyskanych ze źródeł odnawialnych w całkowitej produkcji energii na świecie. Wiatraki mimo swoich wad nie mają praktycznie żadnej alternatywy w kręgach urządzeń pozyskujących energię ze źródeł odnawialnych. Tylko one pozwalają na szybkie (kilka miesięcy) uruchomienie produkcji energii na wysoką skalę bez konieczności prowadzenia wielkich robót przygotowawczych (jak w przypadku budowy elektrowni wodnej) i bez konieczności wykonywania szeregu kosztownych zabiegów administracyjnych np. przesiedlenia ludności (np. ze strefy zatapianej, przez budowę zapory na rzece ). Małe elektrownie wiatrowe także wydają się ciekawym rozwiązaniem jako dodatkowe źródło energii dla domostwa, którą można spożytkować np. na podgrzewanie ciepłej 12

wody lub w przypadku budynków znajdujących się poza zasięgiem infrastruktury energetycznej jako źródło prądu elektrycznego. W tym przypadku mały wiatrak jest chyba najlepszym obecnie rozwiązaniem. Konkurować z nim mogą jedynie hałaśliwe i produkujące spaliny agregaty prądotwórcze. Pomijam tu ogniwa fotowoltaniczne z racji ich niewielkiej efektywności i bardzo wysokiej ceny (w porównaniu do wiatraków i agregatów prądotwórczych). 13

III. Efektywność przetwarzania energii strugi powietrza na prąd w znanych aerogeneratorach małej mocy, Na efektywność przetwarzania energii strugi powietrza na prąd elektryczny ma wpływ kilka czynników: Zastosowany wariant konstrukcyjny wirnika; jego podatność na podmuchy wiatru, bezwładność układu, współczynnik wykorzystania energii wiatru, Zastosowana skrzynka biegów ( lub jej brak), sprawność układu przeniesienia napędu, Zastosowany w układzie generator, jego rodzaj, sprawność przemiany energii mechanicznej wirnika na prąd elektryczny. 3.1. Efektywność przetwarzania, teoria, sposób obliczeń. Energia wiatru jest wprost proporcjonalna do prędkości wiatru podniesionej do trzeciej potęgi. Należy pamiętać, że prędkość wiatru zmienia się wraz z wysokością, ciśnieniem atmosferycznym, a dodatkowo zależy od ukształtowania terenu. Przy powierzchni ziemi prędkość wiatru równa się zeru, co jest spowodowane siłami tarcia. Siły ta powodują, że tylko ¼ energii kinetycznej wiatru przypada na wiatry wiejące na wysokości do 100m, resztę ¾ energii mają wiatry wiejące wyżej niż 100m[1,s72]. Jednakże względy techniczne i ekonomiczne powodują, że budowanie tak wysokich siłowni wiatrowych jest uznawane za nieekonomiczne. Przejście strumienia powietrza przez turbinę aerogeneratora przedstawia się w następujący sposób: prędkość początkowa wiatru v 0 w wyniku przejścia przez skrzydła turbiny wiatrowej ulega zahamowaniu do prędkości v s. Za turbiną prędkość zmniejsza się dalej i wynosi v k.(rys 3.1) Zmniejszenie prędkości v 0 i v k oraz ciśnień p s i p s przed i za turbiną powoduje spadek wartości pędu, który z kolei zmienia się na pracę użyteczną w postaci momentu sił obwodowych działających na łopaty i przenoszonego przez wał wirnika. Prędkość przepływu powietrza przez wirnik jest średnią arytmetyczna prędkości wiatru przed i za wirnikiem i jest określona wzorem (3.1)[1,s72]. v0 + vk vs =. (3.1) 2 Moc użyteczna pobierana od strumienia powietrza przepływającego przez turbinę jest różnicą energii kinetycznej wiatru przed i za wirnikiem, tak jak przedstawia to zależność (3.2) [1, s73] P u 2 2 2 2 2 2 v0 vk v0 vk v0 + vk v0 vk = Qρ = Asvs ρ = As ρ. (3.2) 2 2 2 2 Rys 3.2Przepływ strugi powietrza przez turbinę[24]. 14

Rys 3.1 Schemat przepływu wiatru przez turbinę wiatrową.[1, s73] Maksimum mocy dla danej prędkości wiatru v 0 i określonych wymiarów wirnika A s wynika z warunku dp u /dv k =0, [1, s73]. v v 0 k =. ( 3.3) 3 Przy takim (3.3) [1, s73] optymalnym zmniejszeniu prędkości powietrza teoretycznie maksymalną moc użyteczną określa wzór (3.4) [1, s74]. 8 3 2π 2 3 Pu,max = As ρ v0 = Ds ρv0. (3.4) 27 27 Z teorii sił aerodynamicznego opływu śmigła wynika, że siły nośna śmigła F N i oporu śmigła F op są opisane zależnościami (3.5) [1, s74] 2 v0 FN / op = C N / op ρ As, (3.5) 2 gdzie: C N i C op współczynniki siły nośnej i oporu, będące funkcją kształtu profilu śmigła. Stosunek tych współczynników jest nazywany współczynnikiem doskonałości profilu dla danej powierzchni śmigła A s. Moc silnika wiatrowego opisuje wzór 3.6 uwzględniający (w przeciwieństwie do wzoru 3.2) współczynnik wykorzystania energii wiatru, wyróżnik szybkobieżności oraz kształt profilu skrzydła. [1, s74] 2 d d s s 1 1 2 2 1 1 C e d z D D 2 3 P s op s s = 1 πd v 2 s ρ 0 1 e 2 D +, (3.6) + s C N 3 2z 4 gdzie : o e- współczynnik wykorzystania energii wiatru (e=0,3-0,4), o z-wyróżnik szybkobieżności. 15

Sprawność przetwarzania energii wiatru na energie elektryczną jest iloczynem sprawności turbiny wiatrowej, układu przeniesienia napędu( sprzęgło i przekładnia- o ile występuje), oraz prądnicy i wynosi średnio 60%(dla układów z przekładnią główną).(rys. 3.3) Rys 3.3 Rozkład gęstości mocy uzyskanej przez generator wiatrowy w funkcji prędkości wiatru [30]. Do tego spadek temperatury od 15º do 0ºC przy stałym ciśnieniu powoduje wzrost gęstości powietrza i tym samym wzrost energii kinetycznej wiatru o ok. 6%. Wzrost temperatury powietrza od 15º do 30ºC powoduje spadek mocy o ok. 5%.[1, s74] Cechą charakteryzującą napęd aerogeneratora jest wyróżnik szybkobieżności (3.7) [1, s74], który wyraża się jako stosunek prędkości obwodowej końca wirnika U do prędkości wiatru v 0 U ϖds z = = v0 2v 0. ( 3.7) Wartości współczynnika z dla różnych konstrukcji: z<1,5 turbiny bębnowe, karuzelowe, rotorowe, 1,5<z<3,5 turbiny wielopłatowe z>3,5 silniki śmigłowe i Darrieusa W zależności od współczynnika szybkobieżności silnika z, prędkości wiatru za wirnikiem(v k ) oraz jego sprawności mechanicznej η s różna jest sprawność przepływowa (3.8) [1, s75] 2 1 v = + k v k η 1 1 p η s. (3.8) z v0 v0 Znając współczynnik momentu obrotowego Ф można wyznaczyć moment obrotowy na wale silnika wiatrowego (3.9) [1, s76] 2 ρv0 d M 0 = Φ As. ( 3.9) 2 2 Moment obrotowy silnika wiatrowego powstaje w wyniku działania wiatru na łopaty wirnika (rys.3.4). 16

Rys 3.4 Powstawanie momentu obrotowego na łopatach wiatraka[24] Siła aerodynamiczna Fa jest wypadkową siły oporu Fx powstałej wskutek naporu powietrza na łopatkę i siły nośnej Fy, której mechanizm powstawania jest nieco bardziej skomplikowany. Przyjmuje się, że ilość powietrza napływającego na krawędź natarcia łopaty o profilu np. płasko-wypukłym jest równa ilości powietrza spływającego z krawędzi spływu (zgodnie z równaniem ciągłości strugi). Ponieważ górna powierzchnia łopatki ma większą krzywiznę niż dolna, górna struga ma do przebycia w tej samej jednostce czasu dłuższą drogę, czyli jej prędkość jest większa niż dolnej. Zgodnie z prawem Bernoulliego ciśnienie górnej strugi będzie mniejsze niż dolnej. Ta różnica ciśnień jest główną przyczyną powstawania siły nośnej. Także na łopatce o przekroju symetrycznym może powstawać siła nośna, jeśli łopatka jest ustawiona pod dodatnim kątem natarcia (kąt α na rys.3.6). W takim przypadku opływ strugi powietrza na górnej i dolnej powierzchni będzie niesymetryczny, prędkość powietrza na górnej powierzchni będzie większa niż na dolnej, powstanie więc różnica ciśnień, a w wyniku tego siła nośna [24]. Siła aerodynamiczna Fa może być rozłożona na składową styczną do płaszczyzny obrotów wirnika Fobw (wzór 4.0) i normalną Fos (wzór 4.1). Składowa styczna powoduje obrót, a składowa normalna wywołuje nacisk osiowy, który jest przejmowany przez łożyska [24]. Rozkład siły aerodynamicznej przedstawia rys.3.6. (4.0) (4.1) Rys. 3.6 Siły nośną Fy i oporu Fx wyznacza się w oparciu o charakterystykę profilu z wzorów (patrz załącznik 6) [24]. 17

Podczas wykonywania obliczeń łopatkę wirnika dzieli się na pewną ilość elementów (rys. 3.7), dla których przeprowadza się obliczenia prędkości, kątów i sił, ponieważ wraz ze wzrostem promienia r rośnie też wartość prędkości obwodowej u, co powoduje zmianę prędkości w i kąta β. Rys. 3.7 Sposób podziału łopat wirnika na fragmenty, w celu wykonania obliczeń [24]. Dla każdego elementu (jego przekroju) dobiera się kąt zaklinowania ϕ tak, aby uzyskać właściwy kąt natarcia α (co jest warunkiem uzyskania prawidłowej pracy łopatki). Kąt α dobiera się najczęściej jako równy lub bliski kątowi maksymalnej doskonałości profilu (jest to kąt, dla którego stosunek Cy/Cx osiąga maksymalną wartość). Łopatka wiatraka jest więc zwichrowana, a kąt zaklinowania ϕ zmienia się od wartości największej u nasady (od środka) do najmniejszej przy końcówce łopaty (średnica zewnętrzna koła wiatrowego) [24]. Obliczenia związane z wirnikami elektrowni wiatrowych, a szczególnie umożliwiające dobranie optymalnego kształtu profilu skrzydła są bardzo żmudne. Obecnie do tego typu obliczeń wykorzystuje się programy komputerowe. Bardzo użytecznym a zarazem łatwo dostępnym narzędziem do wykonywania tego typu obliczeń jest dostępny w internecie program WIATRAK 1.1, który umożliwi średnio obeznanemu z tematem hobbyście uzyskanie wytycznych co do parametrów które ma spełniać jego wiatrak aby pracował z najwyższą efektywnością. 3.2 Opracowanie danych technicznych popularnych instalacji, obrazujących efektywność przetwarzania strugi powietrza na prąd elektryczny. Na początku chciałbym zaprezentować dwie elektrownie wysokiej mocy stosowane w energetyce wiatrowej. Są to dwa modele firmy GE Wind Energy, 1,5 SL oraz 1,5 S o mocy znamionowej 1,5 MW. Oba są do się obie bliźniaczo podobne, najważniejszą różnicą między nimi jest rozmiar wirnika, odpowiednio: SL 77 m; S70 m. Oba modele są aerogeneratorami o zmiennej prędkości obrotowej, kąt natarcia łopat ma możliwość pełnej regulacji [9]. Wał wirnika jest ułożyskowany na przednim łożysku głównym i w przekładni. Łożysko główne, przekładnia i generator są zamontowane na ramie podstawowej. Wirnik zbudowany jest z trzech łopat umocowanych za pośrednictwem indywidualnych własnych łożysk na żeliwnej piaście. Regulacja kąta natarcia łopat odbywa się przy pomocy silnika elektrycznego napędzającego koło zębate wewnętrzne łożyska łopaty. Wirnik jest umieszczony jako up wind (jako wirnik nawiewowy). W zakresie częściowego obciążenia urządzenie pracuje ze stałym kątem natarcia łopat i zmienną prędkością obrotową. Przy prędkościach wiatru przekraczających prędkość znamionową następuje regulacja mocy przez zmianę kąta natarcia łopat. Silne porywy wiatru nie są kompensowane w całości przez regulację położenia łopat; w tych wypadkach dopuszcza się krótkotrwałe wahania prędkości obrotowej. 18

Zastosowano przekładnie zębatą walcową planetarną wysokiej mocy, o przełożeniu całkowitym i = 98,3. Przekładnia jest ułożyskowana elastycznie na ramie podstawowej z boku za pośrednictwem podpory skrętnej z elementami gumowymi. W toku projektowania szczególny nacisk położono na zminimalizowanie hałasu. Generator jest skonstruowany jako podwójnie zasilana maszyna asynchroniczna z uzwojonym wirnikiem, połączoną z obwodami zewnętrznymi przy pomocy pierścieni ślizgowych. W obwodzie wirnika znajduje się przetwornica częstotliwości, która podaje do obwodu wirnika napięcie o regulowanej częstotliwości, dzięki czemu możliwa jest regulacja prędkości obrotowej w zakresie ok. 30% synchronicznej prędkości obrotowej [9]. W tabeli 3.1 zestawiono wybrane dane techniczne w/w turbin. Są to produkty najwyższej jakości, stosowane w energetyce zawodowej, stąd ich wysoka sprawność, pomimo zastosowania przekładni. Jak widać w tabeli 3.1 sprawność przekładni to 96,8 % a generatora 96,1 %. Jeżeli porównamy te parametry z większością dostępnych na rynku konstrukcji małej mocy, to zobaczymy, że sprawność samej przekładni często spada tam nawet poniżej 90 % [11,12]. Należy też pamiętać, iż mimo wysokiej sprawności przekładni(w prezentowanych urządzeniach) straty które generuje oznaczają spadek rzędu 48 kw jeżeli elektrownia pracuje z mocą nominalną. Jest to duża wartość której zniwelowanie mogłoby np. pokryć koszty serwisu i przeglądów turbiny. Przy założeniu, że elektrownia działałaby ze średnią mocą na poziomie 40% mocy nominalnej, to zysk ze zniwelowania strat przekładni wyniósłby(w skali roku) 166 MWh, co przy realnych polskich stawkach zakupu energii na poziomie 260 PLN [40] dałoby sumę 43 160 PLN Należy tez pamiętać o dużej hałaśliwości rozwiązań z przekładnią (w porównaniu z aerogeneratorami bezprzekładniowymi). W tabeli 3.1 Umieściłem też porównywalną pod względem mocy turbinę wiatrową firmy Enercon, w której prąd jest uzyskiwany bezpośrednio z ruchu wirnika aerogeneratora, nie zastosowano skrzynki przekładniowej. Jak widać turbina firmy Enercon rozpoczyna pracę przy słabszym wietrze niż urządzenia GE Wind Energy (odpowiednio 2,5 m/s Enercon a 3 m/s w przypadku turbin z przekładnią). Należy przyjąć że na tak wysokim poziomie technologicznym jaki reprezentują wszystkie trzy opisywane elektrownie wiatrowe ich śmigła są dopracowane w podobnym stopniu jeżeli chodzi o podatność na wyłapywanie energii podmuchu wiatru. Praca przy niższej prędkości wiatru w przypadku turbiny Enercon wynika z mniejszych oporów ruchu, co z kolei jest spowodowane eliminacją z łańcucha energetycznego skrzynki przekładniowej. Parametrem obrazującym efektywność wykorzystania energii wiatru przez turbinę wiatrową jest wskaźnik wytwarzanej energii przypadającej na 1 m 2 powierzchni zakreślanej w powietrzu przez obracający się wirnik. Jak widać turbina Enercon jest zdecydowanie bardziej wydajna od przekładniowych turbin GE. Tabela 3.1 Wybrane parametry techniczne turbin wiatrowych GE [9], oraz Enercon[18] Model turbiny GE 1.5 SL GE 1.5 SE ENERCON E66 Moc znamionowa 1500 kw 1500 kw 1800-2000kW generatora Przełożenie 98,3 89,9 Bez przekładni Sprawność nominalna przekładni przekładniowa 96,8 % 96,8 % Bez przekładni 19

Typ konstrukcji generatora Sprawność nominalna generatora Typ wirnika Prędkość wiatru załączenia Znamionowa prędkość wiatru Wydajność z m 2 zakreślanej powierzchni (znam. V wiatru). Prędkość wiatru odłączenia Zakres prędkości obrotowej Podwójnie zasilana prądnica asynchroniczna Podwójnie zasilana prądnica asynchroniczna Bezpośrednio napędzany, pierścieniowy, synchroniczny 96,1 96,1 Nieznana Średnica 77 m, liczba Średnica 70,5 m, Średnica 70m, łopat 3 liczba łopat 3 liczba łopat 3 3 m/s 3 m/s 2,5 m/s 12 m/s 12 m/s 12 m/s 0,322 kw/m 2 0,39 kw/m 2 0,47kW/m 2-0,51kW/m 2 22 m/s 22 m/s 28-34 m/s 11-22 obr/min 11-22 obr/min 10-22 obr/min Model 1,5 SE ma przy takiej samej średnicy wirnika moc mniejszą o 300-500kW(w zależności od roku produkcji turbiny Enercon) od turbiny E-66. Jest to bardzo znacząca wartość. Na korzyść rozwiązania firmy Enercon działa też prędkość wiatru umożliwiająca jej rozruch wynosząca 2,5m/s turbina GE potrzebuje wiatru o wartości 3 m/s. Jak widać koncepcja bezpośredniego przetwarzania ruchu wirnika aerogeneratora na prąd, jest zdecydowanie bardziej wydajnym rozwiązaniem niż generacja za pośrednictwem skrzynki przekładniowej. Do zalet systemów bez przekładniowych należy doliczyć też prostszy serwis i niższą awaryjność w porównaniu z elektrowniami wyposażonymi w przekładnie oraz niższy poziom hałasu (eliminacja skrzynki przekładniowej). Zaprezentowane powyżej elektrownie profesjonalne są rozwiązaniami trzypłatowymi. Przyglądając się produkowanym obecnie aerogeneratorom można przyjąć, że jest to obecnie optymalne rozwiązanie jeżeli chcemy uzyskiwać prąd elektryczny o dobrych parametrach z energii wiatru, przy możliwie niskich nakładach inwestycyjnych w stosunku do generowanej mocy i parametrów użytkowych wiatraka. Teraz przedstawię porównanie elektrowni o małej (za taką przyjąłem moc w okolicach 30kW) mocy (tabela 3.2) mogących służyć zarówno do wytwarzania energii na sprzedaż, jak i do produkcji na zamkniętą sieć. Tabela 3.2 Wybrane parametry małych i średnich elektrowni wiatrowych obrazujące ich efektywność przetwarzania wiatru na prąd elektryczny [10, 13, 12, 11]. Model turbiny Produkt Fortis-Boreas Dr Ząber Z-12 Czysta energia Enercon E 12 Cecha char. C-100 Moc znamionowa 30 kw 30 kw 95/30 kw 30 kw generatora Sprawność Nieznana Nieznana 94.1/90 % Nieznana urządzenia Typ generatora Asynchroniczny asynchroniczny, asynchroniczny, Bezpośrednio 20

Typ wirnika 2 płatowy, średnica 14 m, orientacja nawietrzna 3 fazowy 3-fazowy 3-fazowy, zmienna liczba biegunów 6 / 8 3 płatowy, 3 płatowy, średnica 12m, średnica 19 m, orientacja orientacja nawietrzna nawietrzna Prędkość wiatru 2 m/s 4,25 m/s załączenia 3 m/s Prędkość wiatru 12 m/s 12 m/s znamionowa 12 m/s Prędkość wiatru 25 m/s 25 m/s odłączenia 28 m/s Obszar zakreślany 154 113 przez wirnik Wydajność z m 2 0,19 kw/m 2 0,26 kw/m 2 0,33 / 0,1 kw/m 2 (w zal. od liczby biegunów) napędzany, pierścieniowy, synchroniczny 3 płatowy, średnica 12m, orientacja nawietrzna 3 m/s 11 m/s 284 m 2 113 28-34 m/s 0,26 kw/m 2 Jeżeli przeanalizujemy tabelę 3.2 zauważymy, że rozwiązania 3 płatowe zdecydowanie lepiej wykorzystują energię wiatru niż rozwiązanie dwu płatowe. Gdy porównamy wydajność z m 2 zakreślanej powierzchni, możemy dojść do wniosku że stosowanie w małych elektrowniach bezprzekładnowej generacji prądu mija się z celem(por. dr Ząber-12, Enercon E-12). Należy jednak zwrócić uwagę, iż E-12 pracuje już przy wietrze 3 m/s, natomiast Z-12 dopiero przy wietrze 4,25 m/s. Jest to wielka zaleta elektrowni o generacji bezprzekładniowej. Jeżeli przyjrzymy się tabelą 3.1 i 3.2 z łatwością zauważymy, że wraz ze wzrostem średnicy wirnika rośnie współczynnik wykorzystania energii wiatru. Należy jednak pamiętać, że wraz ze wzrostem średnicy wirnika zmienia się krąg odbiorców( a także ich wymagania), cena a także zaawansowanie technologiczne oraz poziom dopracowania urządzenia. Na pewno maszyna energetyczna za kilkanaście mln PLN ma lepiej dopracowaną aerodynamikę śmigła niż maszyna za 200 tys PLN. Powyżej zaprezentowałem jak wygląda efektywność przetwarzani energii wiatru na prąd elektryczny w typowych (2-3 płatowych) aerogeneratorach. W następnym rozdziale chciałbym przedstawić ten problem w odniesieniu do mało rozpowszechnionych, ale nowatorskich i mających przyszłość rozwiązań. 3.3 Opracowanie danych technicznych rzadko spotykanych instalacji, obrazujących efektywność przetwarzania strugi powietrza na prąd elektryczny. Przedstawianie nietypowych aerogeneratorów chciałbym rozpocząć od generatora wykorzystującego efekt Magnusa. Główną cechą odróżniającą tę turbinę wiatrową od klasycznych turbin z łopatami profilowanymi jest zastosowanie zamiast łopat - obracających się wirników(rys. 3.3.1 oraz 3.3.1a), w których do obracania rotora elektrowni wykorzystuje się zjawisko Magnusa. Zjawisko Magnusa polega na powstaniu siły bocznej na obracającym się walcu lub bryle kulistej, zanurzonych w strumieniu gazu lub cieczy, gdy ma miejsce względne przemieszczenie obracającego się ciała w stosunku do strumienia. Nowy rodzaj wirnika wykazuje wyższą sprawność przy małych prędkościach wiatru, większą odporność na wiatry o zbyt dużej prędkości a co najważniejsze wirnik obraca się prawie 3 razy wolniej niż w konwencjonalnych rozwiązaniach. 21

Mniejsza prędkość obrotowa to oczywiście mniejszy hałas szczególnie w zakresie infradzwięków i właśnie w tym można upatrywać możliwego przełomu w dalszym rozwoju energetyki wiatrowej [14]. Rolę łopat turbiny wiatrowej ACOWIND A-63 pełnią obracające się walce - wirniki. Wirniki napędzane są w sposób wymuszony przez zainstalowane wewnątrz nich silniki elektryczne i obracają się ze zmienną prędkością. Pozwala to na najbardziej optymalne ' dostrojenie się " do dowolnej prędkości wiatru. Wirniki są aktywnym elementem wzajemnego oddziaływania ze strumieniem powietrza, zapewniającym najpełniejsze wykorzystanie energii wiatru.[14] Rys 3.3.1 Wiatrak wykorzystujący efekt Magnusa ACOWIND A-63 [14] Rys.3.3.1a Zasada powstawania siły poprzecznej w ACOWIND A-63 [14,24]. Tabela 3.3.1 Dane Techniczne ACOWIND A-63, wykorzystującej efekt Magnusa [14]. Moc znamionowa generatora 1000 kw Typ generatora Asynchroniczny 4 biegunowy 22

Typ wirnika 3 obracające się walce, średnica wirnika 56m, orientacja nawietrzna Prędkość wiatru załączenia 3 m/s Prędkość wiatru znamionowa 12 m/s Prędkość wiatru odłączenia 25 m/s Obszar zakreślany przez wirnik 2463 m 2 Wydajność z m 2 0,4 kw/m 2 Jak widać, aerogenerator oparty w działaniu o efekt Magnusa osiąga wydajność z m 2 zakreślanej powierzchni lepszą od większości dużych elektrowni wiatrowych i to o większej średnicy (np. GE 1.5 SL osiąga wydajność 0,322 kw/m 2, przy średnicy wirnika 77 m). Z typowych rozwiązań tylko wielkie bezstopniowe przekładnie, jak np. Enercon E-66 ma lepszą efektywność wykorzystania energii strugi powietrza(od 0,47 do 0,51 kw/m 2 ). Należy jednak pamiętać, że ACOWIND A-63 nie jest rozwiązaniem bez przekładniowym jak E-66. Należałoby spodziewać się, że po zastosowaniu bez przekładniowej generacji prądu w aerogeneratorach o działaniu opartym o efekt Magnusa ich efektywność przetwarzania energii wiatru na prąd elektryczny przewyższyłaby najlepsze trójpłatowe konstrukcje. Nie do przecenienia jest też fakt, iż te nowatorskie konstrukcje obracają się ok. 3 razy wolniej od klasycznych wirników 3 płatowych, przez co wydajnie spada poziom emitowanego hałasu. Kolejnym rozwiązaniem o rzadko spotykanej wśród aerogeneratorów konstrukcji jest turbina z dyfuzorem( rys. 3.3.2). Zgodnie z prawem Bernouliego dotyczącym zachowania się ośrodka (np. gazu) w rurze w której występują zmiany średnicy zmienia się również prędkość przepływu gazu. W związku z tym jeśli tradycyjny wirnik zabudujemy w tunelu (a dokładnie w jego przewężeniu) będzie on wirował w powietrzu przepływającym szybciej niż wiatr poza tym tunelem. Dzięki temu da więcej energii niż wirnik bez otunelowania [27]. W latach 70-tych w zakładach Grummana badano wirniki tego typu i odkryto, że obecność szczeliny w dyfuzorze (w płaszczyźnie tunelu) powoduje wzrost sprawności takiego wirnika. Zwężający się wlot powoduje wzrost prędkości przepływu przed wirnikiem, a szczelina w dyfuzorze która znajduje się za wirnikiem powoduje dodatkowo powstanie strefy podciśnienia powodując dodatkowo przyrost prędkości przepływu powietrza przez wirnik(kształt dyfuzora powinien przypominać zarys przedstawiony przerywaną linią na rys 3.1). Komercyjne rozwiązanie o nazwie Maxi Vortec ma 54 m średnicy wirnika i daje 3,5 MW energii. Niestety nie ma dokładnych danych technicznych dotyczących tej elektrowni, ale te którymi dysponuję pozwalają mi na ustalenie, że rozwiązanie Maxi Vortec ma rewelacyjny wpółczynnik określający stosunek zakreślanej przez wirnik powierzchni do generowanego prądu. Wynosi on ok 1,5kW/m 2, przy prędkości obrotowej 27obr/min i przekładni 45:1, co jest niesamowicie dobrym ( na tle konkurencyjnych rozwiązań) wynikiem.[27] Zastosowanie dyfuzora zwiększa efektywność wykorzystania energii strugi powietrza ponad 3 krotnie w stosunku do najlepszych rozwiązań bez dyfuzora(por. tebela 3.1.1 Enercon E- 66). 23

Rys 3.3.2 Turbina wiatrowa z dyfuzorem, rozwiązanie komercyjne firmy Maxi Vortec [27]. Generatory z dyfuzorem mają rewelacyjne parametry, lecz niestety są niesamowicie drogie. Koszt jednej elektrowni z dyfuzorem pozwala na zakup 4-5 standardowych aerogeneratorów dających w sumie taką samą moc jak wiatrak z dyfuzorem. Wymieniona już firma Vortec Energy, mimo budowy coraz doskonalszych prototypów (wirnik o średnicy 10m miał dawać 1MW! mocy) zawiesiła prace nad konstrukcjami bardzo dużej mocy [15]. Jednak, idea turbin z dyfuzorem wydaje się doskonałym pomysłem jeżeli chodzi o wiatraki małej średnicy. Należy pamiętać że dyfuzor znacząco podnosi koszty urządzenia oraz zwiększa bezwładność układu - turbina będzie z opóźnieniem reagować na zmiany kierunku wiatru. Jednak wysoka efektywność tego rozwiązania daje możliwość zmniejszenia wymiarów wirnika. Jeżeli chcielibyśmy wykorzystać do pracy w układzie zamkniętym (np. do ogrzewania domu) turbinę z dyfuzorem o mocy ok. 10 kw, to zamiast wirnika o średnicy 7m (BERGEY EXCEL 10-klasyczna konstrukcja 3 płatowa), moglibyśmy zastosować wirnik o średnicy ok. 2.5 m. Dotychczas opisywałem tylko trzypłatowe konstrukcje, jednak należy pamiętać że do pracy w układach zamkniętych doskonale nadają się konstrukcje wolnoobrotowe wielopłatowe(rys 3.3.3), bardzo powszechne na rzadko zaludnionych terenach USA. Wiatraki te praktycznie nie znajdują zastosowania w zawodowej energetyce, ale jako dodatkowe źródło prądu dla domu lub napęd pomp wodnych sprawdzają się znakomicie. Ich największymi zaletami są: rozruch już przy bardzo słabym wietrze, duży moment obrotowy oraz prostota konstrukcji (płaty nie mają specjalnych profili aerodynamicznych) i niska cena w porównaniu z elektrowniami o dwóch lub trzech śmigłach [24]. Przykładowy wiatrak wielopłatowy o mocy 5 kw ma średnicę wirnika 5,5m, co daje współczynnik wytworzonej energii do powierzchni zakreślanej przez wirnik 0,21 kw/m 2 co nie jest imponującą wartością, mniejszą od osiąganej przez przeciętne konstrukcje 3 płatowe o tej samej mocy (od 0,26-0,36 kw/m 2 w przypadku małych aerogenratorów). Należy jednak mieć na względzie to, że wirnik wielopłatowy rozpoczyna produkcję energii już przy wietrze rzędu 2,1 m/s, podczas gdy dobre wirniki trzypłatowe dopiero przy wiatrach w granicach 3-4m/s (por. tabela 3.2). Moc nominalną opisywany przeze mnie aerogenerator( T550) osiąga przy wietrze 12 m/s [13], co jest wartością porównywalną do wartości nominalnej prędkości wiatru dla turbin 3 płatowych. 24

Rys 3.3.3 Wiatrak wolnoobrotowy, wielopłatowy [13]. 3.4 Efektywność przetwarzania energii wiatru na prąd elektryczny w generatorach o pionowej osi obrotu. Powyżej opisałem rozwiązania które łączy wspólna cecha - pozioma oś obrotów(tzw. wiatraki HAWT Horizontal Axis Wind Turbine). Teraz opiszę efektywność rozwiązań opartych na pionowej osi obrotów(vawt Vertical Axis Wind Turbine). Nie zdobyły one popularności maszyn o poziomej osi obrotów, i sądzę że w energetyce zawodowej jej nie zdobędą ale mają wiele zalet, które powinny skłaniać do rozwijania tych technologii i stosowania ich w systemach zamkniętych np. jako dodatkowe źródło energii w gospodarstwie domowym. Pierwszym rodzajem aerogeneratora o pionowej osi obrotu jest wirnik Darrieus a (rys 3.4.1) Rys 3.4.1 Wirnik Darrieus a sprzęgnięty z zapewniającym moment rozruchowy wirnikiem Savonius a [27]. Z publikacji na temat tego wirnika wynika, że ma on praktycznie zerowy moment startowy, w związku z czym konieczne jest wstępne napędzenie. Realizuj się je za pomocą silników 25

elektrycznych, lub tak jak to widać na rys. 3.4.1, integrując wirnik Darrieusa a z pomocniczymi wirnikami Savoniusa. Niestety nie udało mi się znaleźć firmy wytwarzającej elektrownie wiatrowe oparte na tym rozwiązaniu. W laboratoriach SANDIA NATIONAL LABORATORIES opracowano konstrukcję nazwaną EHD co oznacza zwiększony stosunek wysokości do średnicy(w porównaniu do typowego wirnika Darrieus a). Wiatrak ze zmodyfikowanym wirnikiem Darrieusa o stosunku wysokości do średnicy 2,8 i średnicy 17 m dawał moc 300 kw.[27]. Jego współczynnik mocy do powierzchni zakreślanej przez wirnik miał odpowiadać typowym wartością osiąganym przez wirnik o poziomej osi obrotu o tej samej mocy. Pewną odmianą wirnika Darrieus a jest H-rotor(rys. 3.4.2). Urządzenie to nie doczekało się komercyjnych realizacji. Istotą jego działania jest fakt, iż największy udział w produkcji energii ma zewnętrzna część wirnika - środek ma marginalne znaczenie. W przypadku H- rotora cała łopata znajduje się w maksymalnej odległości od osi obrotu. Nie jest to jednak najlepsze rozwiązanie. Jego efektywność wykorzystania energii wiatru jest optymalna tylko chwilowo i w danym momencie tylko dla jednej z łopat. Łopaty tego wirnika wraz z ruchem obrotowym stale zmieniają kąt natarcia względem wiejącego wiatru od kątów ujemnych poprzez optymalne (wtedy faktycznie chwilowa sprawność jest bardzo wysoka) aż do przekroczenia krytycznych kątów natarcia (przeciągnięcia). Gdy jedna łopata pracuje, ta która znajduje się po przeciwnej stronie wirnika wytwarza opór. Rys. 3.4.2 H-rotor o mocy 3 kw (wiatr popycha zamontowane na końcach wirnika łopaty) [31]. Laboratorium aerodynamiczne uniwersytetu w Saratowie opisało na swojej stronie internetowej wiatrak tego typu o średnicy 1,9m długości łopat 2m i wysokości masztu 5,5m. Daje on 1,5 kw [ 31]. Jeżeli za jego powierzchnię zataczania uznamy pole boczne walca, który wyznacza kręcący się rotor to uzyskamy współczynnik mocy do powierzchni 0,125 kw/m 2, jeżeli natomiast za powierzchnię zataczaną uznamy poziomą płaszczyznę po której wiruje rotor to uzyskamy wartość 0,52 kw/ 2 co jest wysokim współczynnikiem, ale jego wyliczenie(przyjęta powierzchnia zataczania) wydaje się mało miarodajne w porównaniu z typowymi aerogeneratorami o poziomej osi obrotu. Najprostszym rozwiązaniem wśród wirników o pionowej osi obrotów jest wirnik Savoniusa( rys. 3.4.3). Wirnik ten nie może konkurować jeśli chodzi o efektywność przetwarzania energii wiatru na prąd elektryczny z typowymi wiatrakami o poziomej osi 26