Energia wiatru – zyskać więcej

Człowiek już dawno nauczył się zamieniać kinetyczną energię strumienia wiatru w energię mechaniczną. Liczne i różne pod względem budowy młyny wiatrowe ułatwiały życie ludziom tamtych czasów. Idea generatora wiatrowego do produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem energii wiatru liczy sobie trochę ponad 100 lat. Po zbilansowaniu zalet i wad energetyki wiatrowej, branża ta w ostatnich kilkunastu latach szybko się rozwija, głównie z wykorzystaniem dużych farm wiatrowych, chociaż warto docenić także małą energetykę wiatrową.

Rys. 1. Techniczny system „wiatr – turbina wiatrowa

Według Europejskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej, w 2015 r. 28 państw członkowskich UE w sumieprzyłączyło do sieci turbiny wiatrowe o całościowej mocy 12,8 GW. Było to 44% wszystkich nowych mocy opartych na OZE, zainstalowanych w przedostatnim roku. Z 12,8 GW nowych mocy blisko 9,8 MW należało do instalacji na lądzie a 3,0 MW to instalacje morskie, typu offshore. Przyrost nowych mocy w EU wyniósł w 2015 r. 6,3% więcej, niż w 2014 r. W sumie całkowita moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w Europie na dzień dzisiejszy to 142 GW, co pokrywa 11,4% zapotrzebowania na energię elektryczną w Europie. Co istotne, w 2015 r. wszystkie nowe instalacje związane z energetyką odnawialną – we wszystkich jej rodzajach – stanowiły łącznie 77% nowych mocy. Na ubiegłoroczne statystyki jeszcze czekamy.

Rys. 1. Techniczny system „wiatr – turbina wiatrowa”

Blaski i cienie energetyki wiatrowej

Pomysłowość wynalazców zaowocowała wielką rozmaitością konstrukcji instalacji wiatrowych. Różnią się one m.in.:

Rys. 3. Schemat porównawczych laboratoryjnych pomiarów generacji wiatrowej typu wieżowego

• położeniem osi obrotu skrzydeł wiatraka (pozioma, pionowa lub nachylona),
• liczbą skrzydeł wiatraka (1, 2, 3 lub więcej),
• kształtem skrzydeł (śmigów),
• mocą generacji (od dziesiątków watów do kilku, kilkunastu megawatów),
• konstrukcją generatorów itd.

Pogoń za zwielokrotnieniem mocy spowodowała równoczesne pojawienie się nowych problemów.
Gabaryty współczesnych generatorów wiatrowych i dynamiczne obciążenia przejmowane przez nie ograniczały parametry wytrzymałościowe materiałów używanych do budowy elektrowni wiatrowych. Dalsze powiększanie mocy (gabarytów) tych elektrowni okazywało się możliwe tylko z zastosowaniem bardzo nowoczesnych, a zatem znacznie droższych materiałów. To odpowiednio przekłada się na wzrost, i bez tego wysokich, cen produkowanej przez nie energii.
Elektrownie wiatrowe wielkiej mocy wymagają również większych prędkości wiatru. Obecnie coraz trudniej znaleźć miejsca do rozmieszczenia takich instalacji, a nowoczesnemu rozwiniętemu społeczeństwu potrzeba coraz więcej energii.
Obecnie energetyka wiatrowa przeżywa okres dużego wzrostu. Jego tempo osiąga w niektórych regionach świata i okresach nawet 30% w roku (choć akurat w Polsce, za sprawą zmian ustawodawczych, energetyka wiatrowa znalazła się w odwrocie). Pojawiają się też i sceptycy. Energetyka wiatrowa mająca takie zalety, jak ekologicznie czysta produkcja energii elektrycznej i wykorzystywanie odnawialnego źródła energii, ma również szereg rzeczywistych wad: zmienna wydajność, niska jakość produkowanej energii elektrycznej, stwarzanie możliwych zaburzeń tele- i radio sygnałów, negatywne oddziaływanie na faunę w obszarze niektórych częstotliwości dźwięku, konieczność posiadania uzupełniających rezerw mocy generacyjnej w konwencjonalnych elektrowniach itd.

Rys. 4. Produkcja energii elektrycznej generatorów wiatrowych

Wciąż na nowo stawiane są pytania dotyczące perspektyw energetyki wiatrowej. Czy zajmie ona na dłużej ekonomicznie znaczące miejsce w światowej energetyce? Czy usprawiedliwione są znaczne inwestycje w energetykę wiatrową? Jak uwolnić ją od wad i jak zwiększyć jej efektywność? Jeden z ciekawych i korzystniejszy, niż dotychczas stosowane, wariantów wytwarzania energii elektrycznej z energii wiatru, omawiamy poniżej.

Rys. 5. Względny przyrost produkcji energii dla generacji w wieży wiatrowej

Lepiej wykorzystać wiatr

Przykładowo: cała energetyka wiatrowa obejmuje dwa elementy: źródło energii (wiatr) i odbiornik energii (generator wiatrowy). Od pierwszych kroków wykorzystywania energii wiatru po nasze czasy, budowniczowie (twórcy) zajmowali się udoskonaleniem odbiornika energii, a źródło energii (wiatr) jawił się im jako dany przez przyrodę i niepoddający się sterowaniu.
W znacznym stopniu wywołało to większość niedostatków przypisanych współczesnej energetyce wiatrowej.
W systemie technicznym (schemacie) „wiatr – turbina wiatrowa” oba składowe elementy są jednako ważne. Tylko zarządzanie wszystkimi elementami tego układu pozwala uzyskać wysoką efektywność jego pracy.

Rys. 6. Schemat porównywalnych pomiarów w warunkach poligonowych

Doskonaląc odbiornik energii, pominięto ideę sterowania strumieniem powietrza – została odrzucona jako nieistotna. A dlaczego? Przy współczesnym stopniu rozwoju technicznego sterowania takimi systemami można to zrealizować bardzo efektywnie.
Rozwój energetyki wiatrowej poszedł jednak inną drogą. W obecnym czasie praktycznie wszystkie generacje wiatrowe pracują wg jednej zasady: przejęcia energii od swobodnie napływającego strumienia wiatru.
Zespół naukowców z Ukrainy postanowił opracować zasadę nowego technicznie systemu, który pozwala sterować tak źródłem energii, jak i jej odbiornikiem. W ten sposób, wykorzystując doświadczenie i wiedzę pozyskaną dotychczas w obszarze budowy i eksploatacji turbin wiatrowych, można znacząco powiększyć ich efektywność pracy poprzez zastosowanie sterowania parametrami strumienia powietrza (źródła energii).
Jednym z rezultatów wieloletnich badań stała się konstrukcja turbiny wiatrowej typu wieżowego. Pozwala ona, z różnym stopniem efektywności, sterować strumieniem powietrza wprowadzanym do turbiny oraz elementami samej turbiny.
Turbina wiatrowa typu wieżowego składa się z następujących podstawowych elementów: aparatu gromadzenia energii, generatora, aparatu koncentracji energii i systemu sterowania.

Rys. 7. Produkcja energii elektrycznej w wieżowym i tradycyjnym generatorze. P1- wieżowa elektrownia wiatrowa o osi pionowej. P2- standardowa elektrownia wiatrowa o osi poziomej

Aparat gromadzenia energii wykonany jest w postaci pionowego cylindra, którego ściany zmontowane są z profilowanych powierzchni, tworzących kanały wlotowe, łączące zewnętrzne powierzchnie cylindra z jego wewnętrznym pionowym kanałem (zwężające się kanały konfuzorowe). Ich zadaniem jest zbieranie do wnętrza nadchodzącego strumienia powietrza i skierowanie go w górę, wzdłuż pionowej osi urządzenia oraz przesunięcie na łopatki turbiny generatora.
Generator z łopatkami turbiny umiejscowiony jest wewnątrz aparatu koncentracji energii. Generator przemienia energię kinetyczną strumienia powietrznego w energię elektryczną.
Aparat koncentracji energii konstrukcyjnie wypełnia pionową rurę, której przekrój wewnętrzny płynnie zmniejsza swą średnicę ku jej środkowi: tam umieszczony jest generator. Wewnętrzna przestrzeń tej rury jest przedłużeniem pionowego kanału aparatu gromadzenia energii. Taka konstrukcja tego węzła pozwala zwiększać koncentrację energii kinetycznej strumienia powietrza kierowanego na łopatki turbiny generatora. System sterowania (na rysunkach niepokazany) zapewnia we właściwym czasie otwarcie kanałów konfuzorowych wieży od strony nawiewu zewnętrznego strumienia powietrza i jednocześnie zamknięcie wszystkich pozostałych kanałów konfuzorowych.
Czym zasadniczo różni się konstrukcja wieżowa od turbin wiatrowych przeobrażających energię swobodnego przepływu strumienia powietrza?

• Konstrukcja ta pozwala kierować energią strumienia powietrza, drogą jej koncentracji na łopatkach turbiny generatora.
• Nie ma konieczności sterowania, ukierunkowania łopatek turbiny generatora „na wiatr”. Generator z pionową osią obrotu stacjonarnie umieszczoną w górnej części urządzenia ma ukierunkowany na siebie strumień powietrza, dzięki odpowiedniej konstrukcji aparatu gromadzenia energii.
• Znacząco podwyższa się moc strumienia powietrza kierowanego na łopatki turbiny generatora. Konstrukcja aparatu koncentracji energii pozwala na zwiększenie prędkości strumienia powietrza w pionowym wewnętrznym kanale urządzenia, powiększając odpowiednio jego moc.

Rys. 8. Względne zwiększenie generacji energii w generatorze wieżowym

Prowadzone eksploatacyjne badania modeli tej generacji wiatrowej w tunelu aerodynamicznym (rys. 3) wykazały zwiększenie produkcji energii generatora, uzyskane w wieży ponad 4-krotnie, a dla małych prędkości strumienia powietrza ponad 10-krotnie (rys. 4 i 5).
W celu potwierdzenia otrzymanych laboratoryjnie rezultatów został wykonany optymalny dla eksperymentu model w skali 20:1. Porównawczy schemat pomiaru (analogicznie do wykonywanych w laboratorium) przedstawia rysunek 6.
W badaniach porównawczych na poligonie wykorzystywany był generator na stałych magnesach CB-1.2/30.

Analiza otrzymanych rezultatów pokazuje znaczący wzrost efektywności produkcji generatora przy jego umiejscowieniu w konstrukcji wieżowej – w koncentratorze:

• startowa prędkość wiatru jest dwukrotnie niższa od uzyskanej w generatorach tradycyjnej konstrukcji;
• prędkość wiatru, przy której generator pracuje z nominalną mocą jest 2 razy mniejsza;
• współczynnik wykorzystania znamionowej mocy generatora może sięgać wartości 0,6...0,7 (otrzymany drogą obliczeniową);
• uzyskano 2-3 krotnie wyższą ilość wyprodukowanej energii;
• ilość energii wyprodukowanej z jednostkowej powierzchni omiatanej wirnikiem turbiny, dla wszystkich przedziałów prędkości strumienia powietrza wzrósł 5-krotnie, a w przedziale niskich prędkości – więcej nawet niż 10-krotnie;
• powierzchnia terenu zajęta pod pojedynczo ustawioną elektrownię wiatrową dla konstrukcji wieżowej jest zdecydowanie mniejsza niż w przypadku innych typów generacji wiatrowych.

Konstrukcyjna innowacyjność turbiny wieżowej pozwala uniknąć wielu poniższych niedostatków przypisanych turbinom wiatrowym tradycyjnych konstrukcji.

• Emisja hałasu szkodliwa dla człowieka, która może powstawać podczas pracy generacji wiatrowej, w pracy generatora typu wieżowego praktycznie nie wychodzi poza konstrukcyjne gabaryty urządzenia. Uzyskujemy to dzięki umiejscowieniu generatora z łopatkami turbiny wewnątrz pionowego kanału generacji wieżowej. Współczesne materiały pozwalają efektywnie tłumić lub wygaszać wytwarzane szkodliwe emisje hałasu i wibracje. Dzięki temu generator i łopatki turbiny w wieżowej instalacji wiatrowej nie będą również przeszkodą w propagacji sygnałów telewizyjnych i radiowych.
• Urządzenia te nie zagrażają ptakom. Jako zabezpieczenie przed wpadaniem ptaków na łopatki generatora może być założenie ochronnych siatek na wlotach do kanałów konfuzorowych. W celu zapobieżenia zderzeniom ptaków z konstrukcją wieżową w czasie nocy, jej zewnętrzne powierzchnie oświetla się. Pozwala to także zwiększyć widoczność wieży.

Rys. 9. Koncentracja energii wiatru na łopatach turbiny

Pozytywne prognozy

Konstrukcja wieżowa instalacji wiatrowej znacznie przewyższa pod względem charakterystyki technicznej wszystkie współczesne instalacje wiatrowe tradycyjnej konstrukcji pracujące w swobodnie napływającym strumieniu powietrza.
Tym samym, instalacje wiatrowe typu wieżowego mogą być korzystną alternatywą wobec tradycyjnych konstrukcji.

• Mogą one pracować przy znacznie niższej prędkości wiatru, a więc mogą bardzo efektywnie, z mniejszymi przestojami, działać tam, gdzie prędkość wiatru zmienia się w szerokich granicach oraz być wykorzystywane w rejonach o małych prędkościach wiatru.
• Pozwalają znacznie zwielokrotnić produkcję energii elektrycznej.
• Ich uzyskiwana efektywność nie jest niższa od tradycyjnych elektrowni wykorzystujących paliwa kopalne: gaz, węgiel, mazut, ropa, a ekologiczna czystość procesu wytwarzania energii jest nieporównywalna.
• Instalacje generacji wiatrowych typu wieżowego zajmują mniejszą powierzchnię terenu niż jakiekolwiek inne o tej samej mocy.
• Dzięki swojej budowie takie instalacje wieżowe służyć mogą jako lokalne, autonomiczne oraz zapewniające użytkownikowi samowystarczalność, źródła energii.

mgr inż. Tomasz Sumera
audytor KAPE,
wykładowca na szkoleniach dla instalatorów OZE,
Eco-Doradztwo

inż. Stanisław Gusak
konstruktor elektrowni wiatrowej,
Eco-Doradztwo

Gdzie zamówić?

Jesteś zainteresowany podobnymi produktami lub usługami?
Kliknij w wybraną wizytówkę, żeby dowiedzieć się więcej.

SYNTEZA OZE

zobacz →