Elektrownie wiatrowe – energetyka wiatrowa

Szukasz okazji inwestycyjnej? Zastanawiasz się jak można obniżyć koszty utrzymania domu lub prowadzenia działalności? Czasami źródłem dobrych pomysłów są… historia i literatura. Dawno, dawno temu dobrze żyli lekarz, aptekarz, a nie wiem czy nie lepiej od nich… młynarz. Też wykonywał usługi niezbędne ludności, a miał energię za darmo. A czy ty płacisz za energię wiatru? Czy w takim razie możesz ją wykorzystać do poprawy swojej sytuacji ekonomicznej? Nie będziemy namawiać do zbudowania młyna. Zasygnalizujemy tylko temat: elektrownie wiatrowe.

OZE, wytwarzanie energii z wiatru

Widziałeś kiedyś rower, w którym oświetlenie działa, gdy rower jedzie? Dzieje się to między innymi za sprawą prądnicy zwanej dynamem. Składa się ona z magnesu przymocowanego do obudowy i uzwojenia znajdującego się na wirniku. Gdy uzwojenie się porusza, przewody przecinają stałe pole magnetyczne. Na skutek tego elektrony znajdujące się przewodach przemieszczają się w jednym kierunku. Ponieważ elektrony mają ładunek ujemny, na jednym końcu przewodu znajduje się ich nadmiar (tzw. biegun ujemny), a na drugim niedobór (biegun dodatni). Biegun ujemny i dodatni – czyli coś co przypomina… baterię. Mamy więc źródło energii. Im przewód dłuższy i porusza się szybciej – tym można z niego czerpać energii więcej.

Elektrownia wiatrowa

Elektrownia wiatrowa zawiera generator. W nim energia ruchu obrotowego wirnika zamienia na energię elektryczną. Wirnik poruszany jest przez obracające się śmigło lub turbinę. Ich obrót powoduje wiatr. Im większy generator, tym więcej energii wiatru zamieni na energię elektryczną. Generator musi być dobrany do rozmiarów śmigła lub turbiny. Jeżeli będzie za duży, wówczas uniemożliwi rozruch przy słabym wietrze.

Żeglarze, gdy wieje słaby wiatr wciągają na maszt cały żagiel. Gdy wiatr wieje zbyt silnie zmniejszają powierzchnię żagla. Nie mamy możliwości ujmowania lub dokładania łopat do wiatraka. Można tylko zmieniać kąt natarcia łopat. Wiatrak musi stanowić z generatorem taką parę, aby przy najczęściej wiejącym wietrze wytwarzał znamionowe napięcie.

Elektrownie wiatrowe – jaki są rodzaje?

Elektrownia wiatrowa kojarzy się z śmigłem, podobnym jak w samolocie, ustawionym na wysokim maszcie. Może również być znacznie mniejsza, przypominać wiatraczek – ozdobę. Mimo różnic w gabarytach obie należą do najpopularniejszego rodzaju elektrowni wiatrowych. Ich wspólną cechą jest poziomo ustawiona oś obrotu. Nic dziwnego, że najczęściej przychodzą na myśl, gdy słyszymy termin elektrownia wiatrowa. Stanowią one około 95% stosowanych rozwiązań. W literaturze określane są również jako HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines).

Elektrownia wiatrowa może również przypominać kominy stojące w polu. Gdy przyjrzymy się im bliżej, okazuje się, że są to turbiny (podobne jak silnikach samolotów odrzutowych). Ustawione są one pionowo, a ich łopatki porusza wiatr. Takie elektrownie wiatrowe są mniej popularne. W literaturze określane są również jako VAWT (ang. Vertical Axis Wind turbines).

Ze względu na moc znamionową elektrownie wiatrowe dzielimy na:

  1. mikroelektrownie wiatrowe – generują poniżej 100 W mocy. Stosowane są np. do ładowania baterii akumulatorów stanowiących zasilanie obwodów wydzielonych np. samodzielnych systemów komunikacyjnych i nawigacyjnych
  2. małe elektrownie wiatrowe – wytwarzają od 100 W do 50 kW. Do zasilania domów jednorodzinnych najczęściej używane są elektrownie wiatrowe o mocy od 3 kW do 5 kW.
  3. duże elektrownie wiatrowe – o mocy powyżej 100kW.

Elektrownie wiatrowe. Budowa

Elektrownia wiatrowa musi przejąć energię wiatru, zamienić ją na ruch obrotowy, a ten na energię elektryczną. Ponieważ wiatr nie wieje zawsze z jednolitą siłą trzeba jeszcze dodać układ elektroniczny, który spowoduje, że energia elektryczna dostarczana z elektrowni wiatrowej będzie miała parametry odpowiednie do zasilania urządzeń.

Prześledźmy zatem drogę energii od wiatru wiejącego za oknem, do żarówki świecącej w pokoju. Wiatr napotyka na swojej drodze turbinę lub wiatrak. Na wirniku wiatraka osadzone są zwykle trzy płaty. Spotykane są konstrukcje: jedno-, dwu- i wielopłatowe.Wirnik osadzony jest na wale wolnoobrotowym. Wał porusza się z taką prędkością jak obraca wiatrak. Wiatrak kręci się majestatycznie. Jest to za wolno, aby napędzać generator. Przez skrzynię przekładniową ruch obrotowy przekazywany jest do wału szybkoobrotowego. Wał szybkoobrotowy połączony jest z wałem generatora. Wytwarzane przez generator napięcie przekazywane jest do transformatora i układu sterującego.

Oprócz tych elementów elektrownia zawiera zawiera układy: smarowania, chłodzenia, hamowania.
Wirnik obracany jest w kierunku wiatru przez silniki i przekładnię zębatą znajdującą się na szczycie wieży, na której umieszczona jest gondola.

Konieczne jest jeszcze zapanowanie nad generowanym prądem, którego parametry zmieniają się tak szybko jak porusza liść na wietrze. Elektrownia wiatrowa musi być uzupełniona o układ elektroniczny, który będzie standaryzował energię i dopasowywał ją do parametrów jakie wymagają zasilane nią urządzenia elektryczne. Gdy elektrownia wiatrowa będzie dostarczała więcej energii niż potrzeba – energię należy magazynować. Gdy elektrownia wiatrowa będzie dostarczała mniej energii niż potrzeba – energię należy pobrać z magazynu. Nawet najlżejszy zefirek zmarnować się nie może.

Ze względu na rodzaj magazynu energii elektrownie wiatrowe dzielą się na:

  1. on-grid – elektrownia wiatrowa połączona z siecią elektryczną przez inwerter dostosowujący wyprodukowaną energię do parametrów wymaganych przez sieć. Jeśli elektrownia wiatrowa wytwarza więcej energii jest zużywane, to jest ona wysyłana do sieci. Licznik energii całkowicie legalnie… cofa się.
  2. off-grid – elektrownia wiatrowa nie połączona z zewnętrzną siecią elektryczną. Elektrownia wiatrowa off-grid składa się z elektrowni wiatrowej, kontrolera ładowania baterii akumulatorów, akumulatorów i jeżeli zachodzi potrzeba korzystania z napięcia o parametrach jak w sieci energetycznej – inwertera zmieniającego prąd stały na zmienny.

Jeżeli elektrownia wiatrowa ma być umieszczona na fundamencie – powinno na jej postawienie zostać uzyskane pozwolenie. Gdy masz zostanie zamocowany na odciągach, budowla jest klasyfikowana jako nietrwała.Furtką pozwalającą na obejście wymogu uzyskiwania pozwolenia jest lokalizowanie elektrowni wiatrowej na budynku. Zgodnie bowiem z prawem budowlanym art. 30 ust. 1 pkt) 3 lit. b Zgłoszenia właściwemu organowi wymaga wykonywanie robót budowlanych polegających na instalowaniu urządzeń o wysokości powyżej 3 m na obiektach budowlanych. Gdy urządzenie jest niższe niż wskazane w ustawie 3 metry, jego zainstalowanie nie będzie wymagało nawet zgłoszenia.

Farmy wiatrowe – budowa

Farma wiatrowa to elektrownia wytwarzająca energię elektryczną przy pomocy generatorów napędzanych energią wiatru. Farma wiatrowa to pomnożona n razy elektrownia wiatrowa. Zajmuje większą powierzchnię, ale umożliwia wykorzystanie np. powierzchni morza. Farma wiatrowa jest budowana z przeznaczeniem komercyjnym. Musi spełniać wymagania podobne jak komercyjne elektrownie fotowoltaiczne (projekt budowlany, warunki przyłączeniowe, koncesja, promesa itp).

Lokalizacja elektrowni wiatrowych

Przy lokalizacji elektrowni wiatrowej należy wziąć po uwagę ustawę z dnia z dnia 20 maja 2016 r. o inwestycjach w zakresie elektrowni wiatrowych. Określa ona warunki lokalizacji elektrowni wiatrowych w sąsiedztwie istniejącej albo planowanej zabudowy mieszkaniowej. Mówi ona między innymi, że “ Odległość, w której mogą być lokalizowane i budowane:

  1. elektrownia wiatrowa – od budynku mieszkalnego albo budynku o funkcji mieszanej, w skład której wchodzi funkcja mieszkaniowa, oraz
  2. budynek mieszkalny albo budynek o funkcji mieszanej, w skład której wchodzi funkcja mieszkaniowa – od elektrowni wiatrowej – jest równa lub większa od dziesięciokrotności wysokości elektrowni wiatrowej mierzonej od poziomu gruntu do najwyższego punktu budowli, wliczając elementy techniczne, w szczególności wirnik wraz z łopatami (całkowita wysokość elektrowni wiatrowej)”.

Rozważane są ograniczenia jeszcze bardziej restrykcyjne. Planowane jest wyznaczenie strefy odległości od zabudowań o szerokości od 2 km do 3 km, w której nie będzie można budować wiatraków. W pierwszym wariancie jest to 0,2% powierzchni Polski. W wariancie drugim jest to 0% powierzchni Polski. Czego nie mógł zrobić Don Kichot lancą, to osiągnie ustawą.

Energetyka wiatrowa – korzyści, które warto poznać!

Elektrownia wiatrowa i farma wiatrowa są OZE. Wykorzystują to co mamy za darmo. Niewielkie, pojedyncze turbiny mogą być źródłem energii w miejscach gdzie brak jest połączenia z siecią energetyczną.Same elektrownie wiatrowe nie powodują zanieczyszczenia środowiska, jednakże działając w systemie mogą je… zwiększać. System energetyczny musi dostarczać energii na poziomie niezależnym do siły wiatru, nasłonecznienia itp. Gdy brakuje energii z OZE trzeba ją wyprodukować w elektrowniach węglowych. Elektrownia węglowa podczas rozpalania emituje znacznie więcej zanieczyszczeń niż w trakcie stabilnej pracy. W rezultacie zanieczyszczenia atmosfery jest pochodną zmienności wiatrów.

Dlatego system energetyczny powinien być oparty na różnych OZE. W przeciwieństwie do konwencjonalnych elektrowni nie powstają odpady.Elektrownie wiatrowe nie zaburzają stanu wód gruntowych co ma miejsce przy wydobyciu węgla, gazu łupkowego oraz energii geotermalnej. Elektrownie wiatrowe nie wymagają dróg transportowych surowców. Farmy wiatrowe są firmami. Dają miejsca pracy i powodują odprowadzanie podatków do budżetów gmin. Koszty uzyskiwania energii z elektrowni wiatrowych są niezależne od rosnących cen paliw. Farmy wiatrowe mogą istnieć na terenie, który będzie użytkowany rolniczo.

Wydajność elektrowni wiatrowej

Elektrownia wiatrowa może wytworzyć rocznie taką ilość energii elektrycznej, jaka odpowiada 10… 20% iloczynu mocy nominalnej zainstalowanej turbiny oraz liczby godzin w ciągu roku (24 h x 365 dni = 8760). Ten przybliżony wzór uwzględnia zarówno okresy bezwietrzne, jak i te, kiedy prędkość wiatru jest mniejsza lub większa od tej, przy której elektrownia wiatrowa produkuje moc nominalną. Wynik, być może rozczarowuje, ale na pewno pomaga w urealnieniu oczekiwań.

W praktyce elektrownia wiatrowa o mocy znamionowej 2 kW zazwyczaj wystarcza do zasilania podstawowych odbiorników: oświetlenia, urządzeń RTV i AGD. Elektrownia wiatrowa o mocy 5kW powinna zaspokoić wszystkie potrzeby zasilania w przeciętnym gospodarstwie domowym, może nawet wystarczyć do podgrzania wody bieżącej lub wspomagania centralnego ogrzewania.

Wydajność farmy wiatrowej

Aby uzyskać 1 MW mocy, wirnik turbiny wiatrowej powinien mieć średnicę około 50 m. Aby farma wiatrowa generowała moc 1 GW musi liczyć 1000 turbin wiatrowych.
W rzeczywistości farmy wiatrowe dostarczają energii przez około 1500… 2000 godzin rocznie. Aby wyprodukować 1 GW energii, potrzeba ok. 3000 turbin o mocy 1 MW.

Wady elektrowni wiatrowej

  1. Elektrownie wiatrowe budzą kontrowersje z uwagi na możliwie niekorzystne oddziaływanie na środowisko i organizmy żywe.
  2. Elektrownie wiatrowe zawierają potężne elementy ruchome. Gdy łopata od oderwie się od wiatraka stanowi zagrożenie dla wszystkiego co napotka na swej drodze.
  3. Elektrownie wiatrowe off-grid muszą współpracować z baterią akumulatorów, które będą w stanie oddać taką ilość energii, jaką zużywa dane gospodarstwo domowe.
  4. Elektrownie wiatrowe produkują prąd przez około 30% czasu i muszą być wspomagane przez elektrownie węglowe, których ciągłe rozpalanie i wygaszanie powoduje większą emisję zanieczyszczeń, niż nieprzerwana praca.

Energetyka wiatrowa – sytuacja na świecie

Według raportu GUS “Energia ze źródeł odnawialnych w 2015 roku” średni udział energii wiatrowej w krajach UE wynosił w latach 2011, 2012, 2013 i 2014 odpowiednio 9,4%, 9,8%, 10,6%, 11,1%.
Rekordzistą są Niemcy. Z wiatru wytwarzają odpowiednio 14,3%, 13,6%, 13,2%, 13,7% energii elektrycznej.

Na drugim biegunie jest Słowacja, która w omawianym okresie nie wyprodukowała wcale energii z wiatru. A jak wygląda sytuacja w Polsce? Udział energii elektrycznej wyprodukowanej z wiatru wynosi odpowiednio 3,7%, 4,8%, 6,1%, 8,2%. Czy owe kilka, kilkanaście procent to dużo czy mało? W UE i Polsce najwięcej energii wytwarza się z biopaliw stałych (ponad 40% w UE i ponad 80% w Polsce). Jakie OZE jest najmniej popularne? W UE jest to energia geotermalna (około 3%) i w Polsce 0,2%.