Energia wiatru Co to jest wiatr? Do róŜnych obszarów Ziemi dociera róŜna ilość promieniowania słonecznego. Jak wiemy, okolice równika nagrzewają się o wiele bardziej niŜ strefy okołobiegunowe. Gdy lekkie, gorące powietrze z rejonu równika ucieka w górę, na jego miejsce napływają fale chłodnego powietrza znad biegunów. Tak powstaje wiatr - ruch powietrza, spowodowany róŜnicami temperatur i ciśnień, a takŜe działaniem związanej z obrotowym ruchem Ziemi siły Coriolisa. Gdyby nie zakrzywiająca tor wiatru siła Coriolisa, zwana teŜ geostroficzną, powietrze przemieszczałoby się w linii prostej, wędrując od obszarów wysokiego ciśnienia ku terenom o ciśnieniu niskim. Rodzaje wiatrów NajniŜsze ciśnienie panuje nad równikiem. Powietrze, które odpływa znad tego „równikowego pasa ciszy” opada następnie na ziemię w okolicach zwrotników (szerokość geograficzna mniejsza niŜ 30 stopni), a stamtąd rozprzestrzenia się na północ i na południe w postaci stałych wiatrów zachodnich i zwanych teŜ pasatami stałych wiatrów wschodnich. To jednak nie te, globalne wiatry, lecz charakterystyczne dla danego obszaru wiatry lokalne mają największy wpływ na pogodę na danym terenie. Polskim wiatrem lokalnym jest występujący w Sudetach i Karpatach wiatr halny, który jest jednocześnie przykładem wiatru górskiego, powstającego ze względu na róŜnice w nagrzewaniu się stoków górskich i dolin. W dzień wyŜsze temperatury panują na górskich zboczach, podczas gdy nocą to doliny zatrzymują więcej ciepła.

Zwróć uwagę Energia wiatru moŜe być uznawana za formę energii Słońca. Nie byłoby wiatru, gdyby taka sama ilość promieniowania słonecznego docierała do wszystkich punktów globu.

Historia Energia wiatru znajduje zastosowanie od bardzo dawnych czasów. JuŜ 4000 lat temu staroŜytni Babilończycy pompowali wodę przy pomocy wiatraków, nawadniając pola i osuszając mokradła, o wiele wcześniej zaś wykorzystywano wiatr w Ŝegludze. Od VI wieku Persowie mełli ziarno w młynach wiatrowych. W VIII wieku w Europie pojawiły się duŜe czteroskrzydłowe wiatraki, wykorzystywane przez Holendrów do wypompowywania wody z obszarów nisko połoŜonych. Wraz z odkryciem elektryczności energia wiatru znalazła nowe zastosowanie: pod koniec XIX wieku podjęto pierwsze próby wykorzystania jej do produkcji prądu, zaś do roku 1960 na świecie działało juŜ ponad milion siłowni wiatrowych. Zainteresowanie energią wiatru, tak jak i innymi odnawialnymi źródłami energii wzrosło w następstwie kryzysu energetycznego z 1973 roku. Od tego czasu na całym świecie zainstalowano ponad 50 000 turbin wiatrowych, a energetyka wiatrowa jest jedną z najdynamiczniej rozwijających się gałęzi przemysłu.

Europa - światowy lider Światowy potencjał energii wiatru jest całkiem spory. W roku 2005 holenderscy naukowcy stwierdzili, Ŝe do roku 2020 energia wiatru mogłaby zaspokoić 12% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Współcześnie szybki rozwój energetyki wiatrowej następuje zwłaszcza na terenie Europy. W roku 2004 w krajach starej Unii Europejskiej moc zainstalowana elektrowni wiatrowych zwiększyła się o 20,3% w stosunku do roku 2003 i wynosiła 34 366 MW - blisko trzy czwarte światowej mocy zainstalowanej.

Europejskim liderem w wykorzystywaniu energii wiatru pozostają Niemcy, które w 2001 roku dysponowały aŜ 46,1% światowej mocy zainstalowanej , jednak w roku 2004 najwięcej mocy zainstalowanej przybyło w Hiszpanii – kraju o ponadprzeciętnej prędkości wiatru (do 10m/s) i znakomitych warunkach do rozwoju energetyki wiatrowej. Spośród nowych członków UE największą ilość mocy zainstalowanej – 68,1 MW - posiada Polska, jednak w roku 2004 nasz kraj zwiększył swój potencjał tylko o ponad 11%, podczas gdy w innym nowym państwie Unii – w Estonii – zasoby mocy zainstalowanej wzrosły aŜ o 583,8%.

Czy wiesz, Ŝe... ... w Danii energia wiatru pokrywa 18,5% zapotrzebowania na energię elektryczną, zaś w roku 2008 będzie to juŜ 25%? W duńskim sektorze energetyki wiatrowej istnieje 20 tys. miejsc pracy.

Warunki śeby móc wykorzystywać energię wiatru do produkcji prądu niezbędne są odpowiednie warunki, to znaczy stałe występowanie wiatru o określonej prędkości. Elektrownie wiatrowe pracują zazwyczaj przy wietrze wiejącym z prędkością od 5 do 25 m/s, przy czym prędkość od 15 do 20 m/s uznawana jest za optymalną. Zbyt małe prędkości uniemoŜliwiają wytwarzanie energii elektrycznej o wystarczającej mocy, zbyt duŜe zaś – przekraczające 30 m/s – mogą doprowadzić do mechanicznych uszkodzeń wiatraka. Najodpowiedniejsze warunki dla energetyki wiatrowej istnieją zazwyczaj w okolicach nadmorskich – takich jak na przykład Dolna Saksonia, skupiająca ponad 40% niemieckich elektrowni wiatrowych - i na terenach podgórskich. W naszym kraju obszary szczególnie sprzyjające wykorzystywaniu energii wiatru to województwa pomorskie i zachodniopomorskie, gdzie obecnie, w miejscowości Tymień powstaje największa polska farma wiatrowa – zakład o mocy 50 MW, który będzie oddany do uŜytku w czerwcu 2006 roku. Jak ustalili meteorolodzy, w okolicach Tymienia przez około 300 dni w roku wieje silny wiatr.

Farma wiatrowa to zespół połoŜonych w niewielkiej odległości od siebie wiatrowych urządzeń prądotwórczych, grupujący od ponad 10 do nawet 100 turbin wiatrowych.

Zalety i wady Energia wiatru jest odnawialnym źródłem energii (OZE) niewyczerpywalnym i niezanieczyszczającym środowiska. Nie znaczy to jednak, Ŝe jest dla środowiska neutralna. Jak się okazuje, elektrownie wiatrowe mogą wywierać negatywny wpływ na otoczenie – na ludzi, na ptaki, na krajobraz. Problemem jest na przykład wytwarzany przez turbiny wiatrowe stały, monotonny hałas o niskim natęŜeniu, niekorzystnie oddziaływujący na psychikę człowieka. By zneutralizować jego wpływ, wokół masztów elektrowni wiatrowych wyznacza się strefę ochronną o szerokości 500 metrów. Inna kwestia to niebezpieczeństwo, stwarzane przez elektrownie wiatrowe dla ptaków. Mimo, Ŝe zdania naukowców w tej sprawie są podzielone i - jak utrzymują niektórzy – migrujące ptaki umieją omijać elektrownie, inni szacują, Ŝe farma wiatrowa o mocy 80 MW moŜe zabić nawet 3500 ptaków w ciągu roku. Na koniec wspomnieć naleŜy takŜe o ujemnym wpływie wywieranym przez elektrownie wiatrowe na krajobraz: zajmują one duŜe powierzchnie i zlokalizowane są często w turystycznych rejonach nadmorskich i górskich. Energii nie da się unicestwić, jej jedna forma moŜe zostać co najwyŜej zamieniona na inną. Jednostka: 1 dŜul, J (równowartość 1 watosekundy)

1kWh = 3600 kJ = 3 600 000 J Typowe nośniki energii wykorzystywane do produkcji prądu, pozyskiwania ciepła i napędzania maszyn to: • • •

źródła energii chemicznej (paliwa kopalne), czyli węgiel, torf, ropa nafotwa, piaski roponośne/łupki naftowe, gaz ziemny, źródła energii jądrowej, to znaczy uran, pluton i cięŜka woda (deuter, tryt), odnawialne źródła energii.

Odnawialne Źródła Energii Odnawialne źródła energii (OZE) są ostatnio coraz częściej wykorzystywane. Główną przyczyną tej rosnącej popularności jest nieszkodliwość OZE dla środowiska i ich niewyczerpywalność. Cechy te odróŜniają je od źródeł konwencjonalnych, których eksploatacja jest główną przyczyną niepokojących zmian klimatu, i których światowe zasoby prędzej czy później zostaną całkowicie wyczerpane. Ocenia się, Ŝe najdłuŜej, bo jeszcze przez prawie 220 lat, będzie moŜna korzystać ze złóŜ węgla, o wiele krócej - ponad 60 lat - trwać będzie eksploatacja gazu ziemnego, zaś ropy naftowej wystarczy na jakieś 30-40 lat. Perspektywa wyczerpania się wszystkich tych surowców, jak równieŜ szkody, powodowane w środowisku przez ich wykorzystywanie, sprawiają, Ŝe ludzie juŜ teraz poszukują alternatyw.

Źródła: • • • • • • • • • • • • •

Biopaliwa, red. P. Gradziuk, 2003 Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, publikacja EC BREC/IBMER, 2003 www.atmosphere.mpg.de www.pogoda.x.wp.pl www.ewea.org www.energies-renouvelables.org www.darvill.clara.net www.proekologia.pl www.zielonaenergia.pl www.international.niedersachsen.de Ludzkość w poszukiwaniu energii, 21 odkryć XXI wiek – dodatek do Gazety Wyborczej www.suisse-eole.ch www.windpower.org

Pomiary wiatru Osiągnięcia antycznych Ŝeglarzy – na przykład opłynięcie Afryki przez flotę egipsko-fenicką na przełomie VII i VI wieku p.n.e. – świadczą o tym, Ŝe juŜ w czasach staroŜytnych umiano dokonywać pomiarów wiatru, zwłaszcza zaś określać jego kierunek. Najstarszym zachowanym świadectwem tej umiejętności jest wzniesiona w 100 roku p. n. e. w Atenach marmurowa WieŜa Wiatrów, pozwalająca wyznaczać kierunek wiatru w ośmiu wyróŜnionych płaskorzeźbami sektorach. Kierunek wiatru wskazywał trzymanym w ręce prętem ruchomy posąg bóstwa morskiego – Trytona, umieszczony na szczycie wieŜy. Z kolei najstarszym urządzeniem, słuŜącym do mierzenia prędkości wiatru był poziomy wiatrak do wyciskania winogron, uŜywany w VII wieku w Persji. Prędkość wiatru określano licząc jego obroty. Prędkość i kierunek Współcześnie do mierzenia prędkości i kierunku wiatru wykorzystuje się róŜnego rodzaju wiatromierze, z których najprostszym jest wiatromierz Wilda. Składa się on z pierścienia z ośmioma wskazującymi kierunki świata prętami, osadzonego na pionowo ustawionym pręcie, zaopatrzonym w chorągiewkę kierunkową i we wskazującą prędkość metalową płytkę. Kierunek wiatru określa się na podstawie połoŜenia chorągiewki względem prętów kierunkowych, prędkość wyznacza zaś wielkość spowodowanego przez wiatr odchylenia płytki od pionu. Do ustalania prędkości wiatru stosuje się teŜ umowną skalę Beauforta, uŜywaną równieŜ do oceniania stanu morza. Jej nazwa, podobnie jak nazwa jednostki pomiarowej – stopnia Beauforta - pochodzi od nazwiska angielskiego admirała Francisa Beauforta, który w 1805 roku sporządził pierwszą wersję skali. Skala Beauforta Siła w st. B 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Nazwa wiatru cisza powiew słaby wiatr łagodny wiatr umiarkowany wiatr dość silny wiatr silny wiatr bardzo silny wiatr gwałtowny wiatr

Prędkość w km/h poniŜej 1 1-5 6 - 11 12 - 19 20 - 28 29 - 38 39 - 49 50 - 61 62 - 74

9 10 11 12-17

wichura silna wichura gwałtowna wichura huragan

75 - 88 89 - 102 103 - 117 118 i więcej

Skutki działania wiatru na lądzie dym unosi się pionowo dym unosi się niecałkiem pionowo odczuwanie powiewu na twarzy poruszanie się liści poruszanie się gałązek poruszanie się większych gałęzi poruszanie się grubych gałęzi poruszanie się cieńszych pni utrudnione chodzenie pod wiatr, uginanie się grubych pni unoszenie mniejszych przedmiotów łamanie gałęzi i mniejszych drzew łamanie duŜych pni uszkadzanie budynków, wyrywanie drzew z korzeniami

Kierunek wiatru Z kolei kierunek wiatru (czyli ten, z którego wiatr wieje) ustala się bądź przy pomocy wiatromierzy kierunkowych, bądź teŜ korzystając z uŜywanej równieŜ do określania kierunku prądów morskich i kursu statków róŜy wiatrów. RóŜa wiatrów to rysunek, przedstawiający 8 lub 16 kierunków świata z zaznaczonymi skrótowo nazwami. Symbol N NE E SE S SW W NW

Kierunek północny północno-wschodni wschodni południowo-wschodni południowy południowo-zachodni zachodni północno-zachodni

Oznaczenia stosowane w ośmiokierunkowej róŜy wiatrów

RóŜe wiatrów powszechnie umieszczano na XIV – XVIII – wiecznych mapach nawigacyjnych.

Źródło: •

A. MaciąŜek, Pomiary wiatru, Gazeta Obserwatora IMGW, nr 3, 2005

Potencjał Elektrownie wiatrowe wykorzystywane są przede wszystkim do produkcji energii elektrycznej. Siłownie wiatrowe mogą być podłączone do krajowej sieci energetycznej lub teŜ pracować na sieć wydzieloną i zaspokajać zapotrzebowanie energetyczne zakładu produkcyjnego, gospodarstwa rolnego lub domu. Niektóre siłownie wiatrowe wykorzystują bezpośrednio energię wiatru do pompowania wody, napowietrzania zbiorników wodnych i innych celów. Potencjał w Europie

Mapa poglądowa - zasoby energii wiatru - średnia prędkość wiatru na wysokości 80 m w 2000 r. Źródło: www.stanford.edu/group/efmh/winds/global_winds.html Potencjał w Polsce Polska naleŜy do krajów średnio zasobnych w energię wiatru. Wykorzystując jej potencjał nasz kraj mógłby pokryć 17% zapotrzebowania na energię elektryczną. W tabelce porównano polskie zasoby energii wiatru z zasobami Danii i Szwecji – krajów, w których energetyka wiatrowa ma istotny udział w produkcji energii.

Kraj Polska Dania Szwecja

Potencjał energii wiatru w PJ/rok 36 97 209

Odpowiednie warunki do wykorzystania energii wiatru istnieją na 1/3 powierzchni naszego kraju. Według danych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW) na obszarze 60 tys. km2, czyli na około 30% terytorium kraju średnia prędkość wiatru przekracza 4m/s. Poza tym obszarem odpowiednie warunki do lokalizacji farm wiatrowych istnieją na powierzchni 30 tys. km2.

Najlepsze warunki wiatrowe w Polsce panują na północnych krańcach kraju, gdzie średnia roczna prędkość wiatru na wysokości ponad 50 m waha się od 5,5 do 7,5 m/s. Pierwsze farmy wiatrowe zaczęły tam powstawać juŜ na początku lat 90. Najbardziej sprzyjające wykorzystaniu energii wiatru tereny to wyspa Uznam, wybrzeŜe Bałtyku od Świnoujścia po Gdańsk, PobrzeŜe Kaszubskie i Suwalszczyzna. Dobre warunki wiatrowe panują na Nizinie Mazowieckiej, w centralnej Wielkopolsce, w Beskidzie Śląskim i śywieckim, w Bieszczadach, na Pogórzu Dynowskim i we wschodniej części Doliny Sandomierskiej. Niekorzystne warunki wiatrowe panują w prawie całej wyŜynnej części kraju.

Mapa poglądowa - strefy energetyczne wiatru w Polsce Źródło: Ośrodek Meteorologii IMGW Źródła: • • • • • • •

www.windpower-monthly.com www.yorke.sa.gov.au www.climateark.org www.scottishpower.com www.eo.org.pl www.zielonaenergia.pl Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, EC BREC, 2003

Wykorzystanie Wykorzystanie w Polsce W roku 2003 w naszym kraju pracowało około 40 profesjonalnych siłowni wiatrowych, sprzedających energię elektryczną do sieci, a największą polską farmą wiatrową był posiadający dziewięć elektrowni wiatrowych park w Cisowie koło Darłowa. Moc zainstalowana kaŜdej elektrowni w tym parku wynosi 2 MW, a wysokość turbiny wraz ze skrzydłami - 118 m.

Rozmieszczenie elektrowni wiatrowych na terenie Polski - stan na XII 2001 r. (za EC BREC) Z biegiem czasu i wraz z postępem technicznym zwiększa się moc i rozmiar konstruowanych turbin. Na przykład w Niemczech pod koniec roku 2000 moc zainstalowana przeciętnej siłowni wiatrowej wynosiła 1120 kW, wysokość do 71 m., a średnica wirnika do 58 m., podczas gdy w 1991 roku liczby te wynosiły odpowiednio: 165 kW oraz 31 i 23 m.

Rokład produkcji energii w elektrowniach wiatrowych na początku 2005 roku Europa Kraj Niemcy Hiszpania Dania Włochy Holandia Polska Ukraina Łotwa Czechy Bułgaria Ogółem

Moc zainstalowana w MW 16 628 8 263 3 118 1 265 1 078 58 57 26 17 1 34 630

W/mieszkańca 202,8 209,7 588,3 22,0 68,2 1,5 1,1 10,8 1,7 0,1 -

Ameryka Północna Kraj Stany Zjednoczone Kanada Ogółem

Moc zainstalowana w MW 6 752 444 7 196

W/mieszkańca 23,6 14,3 -

Azja Kraj Indie Chiny Tajwan Korea Południowa Sri Lanka Ogółem

Moc zainstalowana w MW 2 983 764 16 8 3 3 774

W/mieszkańca 2,9 0,6 0,7 0,2 0,2 -

Rejon Pacyfiku Kraj Japonia Australia Nowa Zelandia Wyspy na Pacyfiku Ogółem

Moc zainstalowana w MW 940 380 170 11 1 501

W/mieszkańca 7,4 19,7 42,5 -

Przykłady na świece - największa farma wiatrowa Australii W Australii, gdzie jeszcze w roku 2000 istniały zaledwie trzy farmy wiatrowe (w tym tylko jedna podłączona do sieci energetycznej) w czerwcu 2005 roku otwarto największą farmę wiatrową w kraju – zakład w miejscowości Wattle Point, połoŜonej na Półwyspie Yorke, 15 km na południowy wschód od Yorketown. Na farmie w Wattle Point, zajmującej obszar 17,5 km2 pracuje 55 turbin wiatrowych o łącznej mocy 91 MW. Mogą one zaopatrzyć w energię elektryczną ponad 55 tys. gospodarstw domowych, zapobiegając tym samym wyemitowaniu 360 tys. ton gazów cieplarnianych rocznie. Budowa farmy w Wattle Point kosztowała 180 mln dolarów i trwała rok: od czerwca 2004 do maja 2005. Pierwszą turbinę wraz z 230 m3 betonowych fundamentów postawiono w listopadzie 2004. Do montowania turbin uŜywano dźwigu, podnoszącego maksymalnie 600 ton. Dane techniczne WieŜa (pusta wewnątrz, z drabinką dla obsługi technicznej): • •

wysokość: 68 m, waga: 89 t (część górna - 27 t, środkowa - 25 t, dolna - 37 t).

Łopaty (wykonane z poliestru, wzmocnionego szklanym włóknem): • • •

długość: 41 m, waga: 7,5 t, predkość obrotowa: 14,4 obrotu na minutę.

Gondola: •

waga: 51 t.

Wirnik: •

średnica: 82 m.

Farma w Wattle Point zatrudnia ponad 160 osób, z których połowa to pracownicy pochodzący z regionu, zatrudnieni do prac elektrycznych i mechanicznych, obsługi technicznej, betonowania, wytyczania dróg, ogradzania, a takŜe pracujący w transporcie i w ochronie.

Źródła: • • • • • • •

www.windpower-monthly.com www.yorke.sa.gov.au www.climateark.org www.scottishpower.com www.eo.org.pl www.zielonaenergia.pl Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, EC BREC, 2003

Budowa elektrowni wiatrowej Budowa turbiny wiatrowej

Główny element siłowni wiatrowej to wirnik przekształcający energię wiatru w energię mechaniczną, z której z kolei generator produkuje energię elektryczną. Osadzony na wale wolnoobrotowym wirnik posiada zwykle trzy łopaty, wykonane ze wzmocnionego poliestrem włókna szklanego. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością od 15 do 30 obrotów na minutę. Prędkość ta zostaje następnie zwiększona przez przekładnię do 1500 obrotów na minutę. Przekładania połączona jest z wałem szybkoobrotowym, a ten z kolei z generatorem. Generator, przekładnia, a takŜe monitorujący siłownię system sterowania oraz układy smarowania, chłodzenia i hamulec umieszczone są w gondoli, zamocowanej wraz z wirnikiem na stalowej wieŜy o wysokości od 30 do 100 m. Na szczycie wieŜy znajduje się silnik i przekładnia zębata, których zadaniem jest obracanie wirnika i gondoli w kierunku wiatru. Budowa siłowni wiatrowych o niewielkich mocach jest znacznie prostsza. Nie posiadają one na przykład mechanizmów ustawienia łopat, a ich konstrukcja umoŜliwia wyłączenie elektrowni poprzez pionowe ustawienie wirnika. Turbiny wiatrowe są wyposaŜone w układ kontroli, który pozwala uniknąć mechanicznego uszkodzenia elektrowni i umoŜliwia jak najefektywniejsze wykorzystywanie jej potencjału. Na

przykład turbiny wiatrowe na farmie w Crookwell w australijskiej prowincji Południowa Nowa Walia (nawiasem mówiąc, była to pierwsza australijska farma wiatrowa podłączona do sieci energetycznej) są wyłączane, gdy prędkość wiatru przekracza 72 km/h. Komputerowy system kontroli, korzystający z danych dotyczących kierunku i prędkości wiatru pozwala im takŜe kierować się zawsze w odpowiednią stronę. Rodzaje turbin Turbiny o poziomej osi obrotu Najbardziej rozpowszechnione są turbiny o poziomej osi obrotu, składające się z wysokiej wieŜy, zakończonej przypominającym śmigło wirnikiem. Wirnik posiada zwykle trzy łopaty, choć istnieją takŜe konstrukcje, w których łopat jest mniej – dwie lub nawet jedna – bądź więcej – przykładem mogą być kilkunastołopatowe wiatraki amerykańskie, uŜywane do napędzania pomp wodnych. By osiągnąć maksymalną efektywność, turbiny o poziomej osi obrotu muszą być zwrócone dokładnie w kierunku wiatru, umiejscowienie wirnika w stosunku do wiejącego wiatru moŜe być jednak róŜne. Wśród turbin o poziomej osi obrotu wyróŜnia się: • •

turbiny, w których wirnik znajduje się przed masztem i turbiny, o wirniku zamocowanym za masztem.

To ostatnie rozwiązanie nie jest zbyt popularne z uwagi na straty powodowane częściowym zacienianiem wirnika przez maszt. Turbiny o pionowej osi obrotu Niewielki procent wszystkich turbin wiatrowych stanowią turbiny o pionowej osi obrotu. Ich przykłady to: • •

przypominająca z wyglądu trzepaczkę do ubijania piany turbina Darrieusa, wynaleziona we Francji w latach 20. minionego wieku oraz wynaleziona w Finlandii turbina Savoniusa, która widziana z góry kształtem przypomina literę „s”.

Turbina ta nie powinna być stosowana w rejonach o nienajlepszych warunkach wiatrowych, poniewaŜ nie moŜe osiągać prędkości większej, niŜ prędkość wiejącego w danej chwili wiatru. Mniej wydajna niŜ turbina o poziomej osi obrotu, osiągająca małe prędkości turbina Savoniusa nie nadaje się do produkcji energii elektrycznej, moŜe być za to wykorzystywana do mielenia ziarna, pompowania wody i wielu innych zadań. Generatory Większość współczesnych elektrowni wiatrowych jest wyposaŜona w stosowane w siłowniach wiatrowych o stałej prędkości obrotowej generatory asynchroniczne. Zaletą tego typu siłowni jest łatwość podłączenia do sieci energetycznej, wadą zaś konieczność uŜywania przekładni o duŜym stopniu przełoŜenia – największą moc uŜyteczną generatory asynchroniczne wytwarzają bowiem przy prędkości obrotowej znacznie przekraczającej prędkość obrotową wirnika. Inny minus takich rozwiązań to spadek ogólnej sprawności elektrowni, wywołany stałą prędkością obrotową wirnika niezaleŜną od prędkości wiatru, a takŜe fakt, Ŝe przekładnie o duŜym stopniu przełoŜenia stanowią najbardziej awaryjny i hałaśliwy zespół siłowni wiatrowej.

Przekładnia nie jest potrzebna, gdy wykorzystuje się generatory o zmiennej prędkości obrotowej, które wytwarzają moc uŜyteczną przy małych prędkościach obrotowych i mogą być podłączone bezpośrednio do wirnika. Dzięki małym prędkościom obrotowym i wyeliminowaniu przekładni, tego typu konstrukcje są prostsze, nie zuŜywają się tak szybko i nie emitują tak duŜego hałasu. Zmienne obroty natomiast zwiększają sprawność elektrowni i jej wydajność energetyczną. Słabą stroną takich rozwiązań jest jednak konieczność stosowania przemienników napięcia i częstotliwości, bez których niemoŜliwe byłoby podłączenie elektrowni do sieci. Parametry energii elektrycznej, wytwarzanej przez generatory o zmiennej prędkości obrotowej róŜnią się bowiem od parametrów sieci energetycznej. Turbina mała czy duŜa? Moc zainstalowana współczesnych parków wiatrowych dochodzi nawet do setek MW. Wraz z jej wzrostem zwiększa się takŜe moc i – co za tym idzie – rozmiar pojedynczych turbin, produkujących energię elektryczną o wartości nawet kilku MW i zamocowanych na wieŜach, których wysokość sięga aŜ 100 m. Tak duŜe turbiny wiatrowe wymagają jednak szczególnie dobrych warunków wiatrowych i rozległych niezabudowanych terenów. Nie wszędzie występują takie warunki, poza tym stosowanie duŜych turbin wiatrowych pociąga za sobą pewne problemy. DuŜe turbiny wiatrowe: • • •

„zanieczyszczają wizualnie środowisko”, czyli po prostu szpecą krajobraz, emitują uciąŜliwy monotonny hałas, a takŜe stanowią zagroŜenie dla ptaków i nietoperzy.

Gdy panujące w danym miejscu warunki nie pozwalają na wykorzystywanie duŜych turbin wiatrowych lub, gdy inwestorowi zaleŜy na uniknięciu wyŜej wymienionych problemów, rozwiązaniem pozostaje stosowanie turbin małych, o mocy od 0,1 do 100 kW. Pracują one cicho, nie stwarzają niebezpieczeństwa dla ptaków i nie tylko nie szpecą otoczenia, lecz mogą wręcz podnosić jego walory estetyczne, stanowiąc część dekoracyjnych elementów architektonicznych. Poza tym niektóre miejsca szczególnie sprzyjają wykorzystaniu małych turbin wiatrowych. Turbiny te sprawdzają się zwłaszcza:

• • • •

na terenach o mniej korzystnych warunkach wiatrowych, gdzie potrzebne są niewielkie ilości energii elektrycznej, na obszarach trudno dostępnych – zaletą małych turbin wiatrowych jest bowiem ich przenośna konstrukcja, na dalekiej północy, gdzie ilość światła jest niewielka i małe turbiny wiatrowe efektywniej niŜ ogniwa fotowoltaiczne zasilają stacje telefonii komórkowej, w warunkach ekstremalnych, przy bardzo silnych wiatrach, w skrajnych temperaturach. Małe turbiny wiatrowe o pionowej osi i mocy około 10 kW wytrzymują nawet cyklony, sztormy i burze piaskowe, mogą teŜ pracować w temperaturach od -50 do 50 st. C. Tego typu rozwiązania były testowane we włoskich Alpach, gdzie na wysokości 3150 m. n.p.m. prędkość wiatru sięga ponad 250 km/h.

W fazie projektu jest koncepcja wykorzystania małych turbin wiatrowych na terenach zabudowanych, gdzie budynki mają pełnić rolę koncentratorów prędkości wiatru. Turbina wiatrowa byłaby umieszczana bądź w najwęŜszym miejscu między zabudowaniami, bądź teŜ na dachu budynku, gdyŜ - jak wykazują symulacje komputerowe – kilka metrów nad dachem prędkość wiatru jest o 30% większa niŜ na tej samej wysokości na terenie niezabudowanym.

Moc zainstalowana to moc znamionowa generatora, będącego częścią instalacji, wykorzystującej odnawialne źródło energii – na przykład elektrowni wiatrowej. Małe turbiny wiatrowe moŜna z powodzeniem wykorzystywać: • • • • •

na jachtach i łódkach, do podświetlania tablic informacyjnych nocą, do zasilania systemów sygnalizacyjnych, do zasilania systemów pomiarowych, do ładowania baterii.

Wraz z postępem technicznym wydajność turbin wzrasta. Na przykład jedna z firm ma w swojej ofercie wysokie na 2,4 m turbiny o powierzchni 2,973 m2, które przy wietrze wiejącym z prędkością 5 m/s produkują 57 W mocy, zaś przy wietrze o prędkości 14 m/s wytwarzają juŜ 1259 W.

Dlaczego elektrownie wiatrowe hałasują? Głównym „sprawcą” hałasu emitowanego przez elektrownie wiatrowe są łopaty wirnika, które obracając się natrafiają na opór powietrza, poza tym do powstawania uciąŜliwego szumu przyczynia się takŜe układ przeniesienia mocy, czyli wirnik, przekładnia i generator. Im większa

moc elektrowni, im starsza technologia, im mniej aerodynamiczna konstrukcja łopat, tym większy hałas, powodowany przez turbinę. Redukcji poziomu hałasu, który jest szczególnie dokuczliwy przy wietrze o małych i średnich prędkościach słuŜy stosowanie nowoczesnych technologii (współczesne turbiny wiatrowe pracują ciszej od swych poprzedniczek), by zaś zneutralizować wpływ hałasu na ludzi naleŜy zachować odpowiedni dystans między elektrownią wiatrową a zabudową mieszkaniową. Polskie prawo wymaga, by hałas emitowany w porze nocnej na obszarach zabudowy jednorodzinnej i na terenach wypoczynkowo-rekreacyjnych poza miastem nie przekraczał 40 decybeli.

Źródła: • • • • • • •

Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, EC BREC/IMBER, 2003 www.elektrownie-wiatrowe.org.pl www.eere.energy.gov www.re-energy.ca www.zielonaenergia.pl www.krainaenea.pl www.argylecounty.com.au/nature/windfarm

Lokalizacja elektrowni wiatrowej Projektując farmę wiatrową trzeba wziąć pod uwagę wiele rozmaitych czynników. Po pierwsze, na wybranym terenie muszą panować odpowiednie warunki wiatrowe . W Polsce za obszary pozwalające wykorzystywać energię wiatru uznaje się miejsca, w których średnia roczna prędkość wiatru na wysokości 70 m n. p. g. (nad poziomem gleby) wynosi co najmniej 6 m/s. Gdzie występują takie warunki? Klasy szorstkości terenu Prędkość wiatru zaleŜy od wysokości (średnia prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością względem powierzchni ziemi) i od szorstkości terenu, o szorstkości zaś decydują rzeźba powierzchni i takie przeszkody terenowe, jak drzewa czy zabudowania. Im niŜsza klasa szorstkości terenu – to znaczy im mniej przeszkód terenowych na danym obszarze, tym większe są tam zasoby energii wiatru i tym lepsze warunki do budowy elektrowni. Na terenach klasy 4 produktywność farmy wiatrowej spada nawet o ponad 50%, zaś najlepsze pod względem warunków wiatrowych obszary to morskie wybrzeŜa, otwarte równiny, wierzchołki wzniesień i górskie przełęcze, a więc miejsca, w których regularnie występują wiatry o duŜej sile. Elektrowni wiatrowych nie naleŜy za to lokalizować w górskich dolinach i kotlinach. W Polsce najlepsze warunki wiatrowe panują na Pomorzu i w północno-wschodnich rejonach kraju, duŜym potencjałem energii wiatru dysponują teŜ górzyste i pagórkowate tereny Sudetów, Beskidu Śląskiego i śywieckiego, Bieszczad, Pogórza Dynowskiego, Garbu Lubawskiego i Kielcczyzny. Szorstkość terenu ma wpływ na prędkość wiatru do wysokości jednego kilometra nad poziomem ziemi i w promieniu 20 km. Dlatego waŜne jest, by elektrownie wiatrowe lokalizować odpowiednio daleko od przeszkód terenowych. Ze względu na hałas, emitowany przez turbiny wiatrowe minimalna odległość między farmą wiatrową a domami mieszkalnymi powinna wynosić 500 m, z kolei z uwagi na produktywność elektrowni, dystans minimum 3000 m powinien dzielić jej zachodnią i południowo-zachodnią stronę od lasów i wysokiej zabudowy. Charakterystyka klas szorstkości terenu Klasa szorstkości 0 0,5 1

Energia [%] 100 73 52

1,5

45

2

39

2,5

31

3

24

3,5 4

18 13

Rodzaj terenu powierzchnia wody teren całkowicie otwarty, np. łąka, betonowe lotnisko pola uprawne z niskimi pojedynczymi zabudowaniami, tereny lekko pofalowane pola uprawne z nielicznymi zabudowaniami i 8 metrowymi Ŝywopłotami oddalonymi od siebie o około 1250 m pola uprawne z nielicznymi zabudowaniami i 8 metrowymi Ŝywopłotami oddalonymi od siebie o około 500 m pola uprawne z nielicznymi zabudowaniami i 8 metrowymi Ŝywopłotami oddalonymi od siebie o około 250 m wioski, miasteczka, pola uprawne z licznymi Ŝywopłotami, lasy, tereny pofałdowane duŜe miasta z wysokimi budynkami bardzo duŜe miasta z wysokimi budynkami i drapaczami chmur

WaŜna jest lokalizacja farmy wiatrowej w terenie, waŜne jest teŜ usytuowanie turbin wiatrowych względem kierunku wiatru i względem siebie. By farma wiatrowa najlepiej wykorzystywała warunki wiatrowe, turbiny powinny być zwrócone w stronę głównych kierunków wiatru, a odległość między nimi powinna wynosić od 5 do 8 średnic wirnika turbiny – zbyt blisko siebie ustawione turbiny pozbawiają się nawzajem energii. Wybór lokalizacji Oceny warunków wiatrowych, panujących na danym terenie dokonuje się na podstawie co najmniej rocznych badań wiatru, prowadzonych przy uŜyciu 40- lub 50-metrowych zestawów pomiarowych, wyposaŜonych w trzy czujniki prędkości i w dwa czujniki kierunku. W przypadku masztów 50-metrowych prędkość wiatru mierzy się na wysokości 50, 40 i 30 m. Innym sposobem oszacowania zasobów energii wiatru jest wykorzystanie danych, zebranych przez lokalną stację meteorologiczną – jeśli taka istnieje w pobliŜu planowanej elektrowni wiatrowej. Poza tym moŜna się teŜ posłuŜyć mapami i zdjęciami lotniczymi. By moŜna było uruchomić elektrownię wiatrową niezbędne są nie tylko odpowiednie warunki wiatrowe, na danym terenie musi istnieć takŜe moŜliwość podłączenia do sieci energetycznej. Kwestię podłączenia do sieci moŜna rozwiązać na dwa sposoby, bądź przez: • •

wykorzystanie linii średniego napięcia 15kV, co pozwala podłączyć turbinę bezpośrednio do linii, lecz uniemoŜliwia instalowanie mocy większych, niŜ 4-6 MW, bądź teŜ wykorzystując linię wysokiego napięcia 110kV, co umoŜliwia instalowanie większych mocy, lecz wiąŜe się z koniecznością budowy stacji przekaźnikowej GPZ 15kV/110kV. Z praktycznego punktu widzenia podłączenie do linii wysokiego napięcia jest opłacalne w przypadku parków wiatrowych o mocy ponad 12 MW.

Podsumowując wszystko, co do tej pory zostało powiedziane na temat warunków lokalizacji elektrowni wiatrowej, moŜna stwierdzić, Ŝe idealną farmą wiatrową byłby zakład umiejscowiony na duŜym obszarze morskim, złoŜony z rzędu turbin, oddalonych od siebie o około 600 m i zwróconych w stronę głównych kierunków wiatru. Choć większość farm wiatrowych zlokalizowana jest na lądzie, zakłady z wybrzeŜy Bałtyku i Morza Północnego coraz częściej przenoszą się na przybrzeŜne wody morskie. Farmy wiatrowe na morzu

Morskie farmy wiatrowe mają wiele zalet, wśród których znajduje się większa... •

...stabilność wiatrów, umoŜliwiająca ich efektywniejsze wykorzystanie,

• • •

...siła wiatru na mniejszej wysokości, pozwalająca na budowę niŜszych wieŜ, ...siła wiatru w miarę oddalania się od brzegu, ...przestrzeń dla lokalizacji elektrowni wiatrowych.

Wadą morskich elektrowni wiatrowych jest konieczność budowy podwodnej sieci kablowej i undamentów oraz przetransportowania na morze personelu i sprzętu.

Źródła: • •

Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, EC BREC, 2003 www.elektrownie-wiatrowe.org.pl

Oddziaływanie na środowisko Wiatr jest odnawialnym źródłem energii. Jego wykorzystanie do produkcji elektryczności nie powoduje zanieczyszczeń, nie przyczynia się do emisji gazów cieplarnianych, nie wiąŜe się teŜ z eksploatacją zasobów, które prędzej czy później zostaną wyczerpane. A jednak to, tak zdawałoby się - „ekologiczne” źródło energii powoduje pewne problemy i nie pozostaje bez negatywnego wpływu na środowisko. Wpływ na krajobraz Elektrownie wiatrowe nie zanieczyszczają powietrza, gleby czy wody, często się jednak mówi o powodowanym przez nie „wizualnym zanieczyszczeniu” środowiska. Problem ten jest tym powaŜniejszy, Ŝe odpowiednie do budowy farm wiatrowych obszary to nieraz turystyczne tereny nadmorskie bądź górskie, których walory krajobrazowe mogą trwale ucierpieć skutkiem budowy elektrowni. Takie obawy wyraziły na przykład samorządy z wyspy Wolin i wojewódzki konserwator zabytków, który w 2002 roku sprzeciwił się budowie 58 turbin wiatrowych w Zatoce Szczecińskiej. Wybudowanie elektrowni „moŜe negatywnie odbić się na rozwoju turystyki i sportów wodnych” – napisali wolińscy radni w uzasadnieniu swojej decyzji. Nie wszyscy podzielają opinię o negatywnym wpływie turbin wiatrowych na krajobraz. W sondaŜu zrealizowanym w roku 2002 wśród mieszkańców Szwajcarii 87% ankietowanych opowiedziało się za rozwojem energetyki wiatrowej, zaś wyniki badań, przeprowadzonych w tym samym roku przez EWEA wskazują na podobne tendencje w całej Europie. Niektórzy ankietowani określali nawet turbiny wiatrowe jako „wspaniałe”, „majestatyczne” czy „eleganckie”. Emisja hałasu Poza wizualnym zanieczyszczeniem środowiska, elektrownie wiatrowe są takŜe odpowiedzialne za zanieczyszczenie „akustyczne”, emitują bowiem hałas. Jak pokazują zebrane w tabelach dane, nie jest to dźwięk o zbyt duŜym natęŜeniu, problemem jest raczej jego monotonia i długotrwałe oddziaływanie na psychikę człowieka. PoniewaŜ polskie prawo wymaga, by poziom hałasu w porze nocnej na obszarach zabudowy jednorodzinnej i terenach wypoczynkowo-rekreacyjnych poza miastem nie przekraczał 40 decybeli, elektrownie wiatrowe lokalizuje się w odległości minimum 500 m od zabudowy mieszkaniowej. Podobnie jak wywoływany przez turbiny wiatrowe szum, negatywny wpływ na psychikę ludzką moŜe mieć takŜe odblask promieni słonecznych od obracającego się wirnika i cień jego szybko poruszających się łopat. Przykładowy rozkład natęŜenia dźwięku dla elektrowni wiatrowej Odległość od turbiny [m] 200 250

NatęŜenie hałasu dla turbiny o mocy 600 kW [dBA] 46,5 44,4

NatęŜenie hałasu dla turbiny o mocy 1650 kW [dBA] 47,0 44,9

300 500

42,7 37,4

43,2 37,9

Dla porówniania warto znać inne poziomy natęŜenia dźwięków: • • • •

szept - 20 dB, wnętrze domu - 50 dB, wnętrze samochodu - 70 dB, młot pneumatyczny - 120 dB.

ZagroŜenie dla ptaków Kolejnym problemem, związanym z budową elektrowni wiatrowych jest zagroŜenie, jakie ich praca stwarza dla ptaków i – na przykład – nietoperzy, które lecąc mogą wejść w kolizję z turbiną. Kolizja taka jest tym prawdopodobniejsza, Ŝe celem zwiększenia efektywności pracy elektrowni turbiny wiatrowe lokalizuje się często w miejscach występowania prądów powietrznych, wykorzystywanych takŜe przez migrujące ptaki. Mówiąc o niebezpieczeństwie, stwarzanym przez farmy wiatrowe dla ptaków, trzeba jednak pamiętać, Ŝe o wiele większe zagroŜenie stanowi dla nich energetyka konwencjonalna. KaŜdego roku miliony ptaków giną, wchodząc w kolizję z konwencjonalnymi elektrowniami, platformami wiertniczymi czy napowietrznymi liniami energetycznymi. Rozlewnia oleju na Alasce spowodowała śmierć tysiąc razy większej liczby ptaków, niŜ praca kalifornijskich parków wiatrowych, a konwencjonalna elektrownia na Florydzie w ciągu jednej nocy uśmierciła 3000 migrujących ptaków. Ptakom i innym zwierzętom szkodzą takŜe produkowane przez energetykę konwencjonalną zanieczyszczenia. By zmniejszyć śmiertelność ptaków, spowodowaną kolizjami z turbinami wiatrowymi, stosuje się specjalne oznakowanie, zwiększające widoczność elektrowni, a nowe elektrownie lokalizuje się z dala od tras migracyjnych ptaków. Na etapie badań jest wykorzystanie sygnałów radiowych, których emisja mogłaby odstraszać ptaki z terenu elektrowni.

Źródła: •

www.elektrownie-wiatrowe.org.pl