Home Prąd Elektrownie wiatrowe – zasada działania, wady i zalety

Elektrownie wiatrowe – zasada działania, wady i zalety

20 min. czytania
0
0
212
elektrownie wiatrowe

Klasycznym przykładem, wykorzystania wiatru do wytworzenia energii jest bardzo niegdyś popularne dynamo. Pamiętacie jak to działa? Kiedy się jedzie, lampka przy rowerze świeci, jak się zatrzymacie, przestaje. Jak to się dzieje? Otóż w momencie, kiedy uzwojenie się porusza, przewody przecinają stałe pole magnetyczne, przez co elektrony przemieszczają się z przewodów w jednym kierunku. Ponieważ mają ładunek ujemny, więc na jednym biegunie zbiera się ich nadmiar, czyli mamy tam biegun ujemny. Natomiast na drugim końcu mamy ich niedobór (biegun dodatni). Biegun dodatni i ujemny zapewne kojarzą się wam z baterią i rzeczywiście tutaj też mamy źródło energii. Jeśli chodzi o dynamo, im dłuższy jest jego przewód i im szybciej się porusza, tym więcej energii naczerpiemy. jest to jednak mało w porównaniu z tym, jak wiele energii mogą wytwarzać elektrownie wiatrowe i właśnie nimi się teraz zajmiemy.

Elektrownie wiatrowe – zasada działania

Elektrownia wiatrowa musi posiadać generator, w którym energia ruchu obrotowego wirnika zamieniana jest w energię elektryczną. Ruch obrotowy jest generowany przez obracające się śmigło albo turbinę. Te znowu obracają się dzięki sile wiatru.  Im większy jest generator, tym więcej wytworzy energii elektrycznej z energii wiatru. Nie może być jednak zbyt duży, bo wtedy uniemożliwiłby rozruch przy słabym wietrze.

W żeglarstwie na przykład, kiedy wieje słaby wiatr reaguje się wciągając cały żagiel na maszt, a kiedy wiatr staje się zbyt silny, zmniejszają powierzchnię żagla. W przypadku wiatraka nie mamy takich możliwości dostosowania go do siły wiatru. Nie dodamy mu łopat, ani nie odejmiemy, żeby odpowiednio reagować na zmiany siły wiatru. Możemy jedynie zmienić kąt natarcia. Wiatrak musi więc tworzyć z generatorem  taką parę, żeby przy najczęściej wiejącym wietrze wytwarzał znamionowe napięcie.

Elektrownie wiatrowe – rodzaje

Choć elektrownie wiatrowe kojarzone są głównie z wysokimi masztami, na których kręcą się śmigła podobne do tych w samolocie, to jednak wiatraki stosowane w takich elektrowniach mogą wyglądać też zdecydowanie mniej imponująco. Tym, co łączy wszystkie rodzaje elektrowni wiatrowych jest poziomo ustawiona oś obrotu. Trzeba jednak przyznać, że aż 95% stosowanych rozwiązań stanowią te wiatraki, które jako pierwsze przychodzą nam na myśl w tym temacie. Ich fachowa nazwa to HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines).

Elektrownia wiatrowa może wyglądać też jak kominy stojące w polu. Są to jednak turbiny (podobne do tych w silnikach samolotów odrzutowych).Są ustawiono poziomo, a ich łopatki wprawiane są w ruch przez wiatr. Jest to jednak zdecydowanie mniej popularne rozwiązanie, fachowo nazywane VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines).

W zależności od mocy znamionowej wyróżniamy 3 rodzaje elektrowni wiatrowych:

  • mikroelektrownie wiatrowe – wytwarzają mniej niż 100 W mocy. Korzysta się z nich np. do ładowania baterii akumulatorów zasilających obwody wydzielone (np. samodzielne systemy komunikacyjne i nawigacyjne),
  • małe elektrownie wiatrowe – generują od 100 W do 50 kW mocy. Do zasilania domów jednorodzinnych na ogół wykorzystuje się te o mocy od 3 kW do 5 kW.
  • duże elektrownie wiatrowe – wytwarzają ponad 100 kW mocy.

Elektrownie wiatrowe – budowa

Jak już wspominaliśmy, elektrownia wiatrowa musi najpierw przejąć energię wiatru, potem zamienić ją na ruch obrotowy, a ten z kolei przetworzyć na energię elektryczną. Jako, że wiatr wieje z różną siła, więc potrzebny jest też układ elektroniczny, który sprawi, że energia elektryczna z elektrowni będzie miała parametry odpowiednie do zasilania urządzeń.

Cały proces przetwarzania zaczyna się od tego, że wiatr napotyka na drodze wiatrak lub turbinę i wprawia ją w ruch. Wirnik wiatraka ma zazwyczaj trzy płaty. Czasem stosuje się też konstrukcje jedno-, dwu- lub wielopłatowe. Wirnik jest usytuowany na wale wolnoobrotowym, poruszającym się z tą samą prędkością, co wiatrak. Dostojne kręcenie się wiatraka jest jednak zbyt wolne, by napędzać generator. Dlatego przez skrzynię przekładniową ruch obrotowy przekazywany jest do wału szybkoobrotowego, połączonego z wałem generatora. Następnie wytworzone przez generator napięcie przekazywane jest dalej do transformatora i układu sterującego.

Elektrownia poza wspomnianymi już elementami, zawiera też następujące układy:

  • smarowania,
  • chłodzenia,
  • hamowania.

Silniki i przekładnia zębata znajdujące się na szczycie wieży z gondolą, obracają wirnik w kierunku wiatru.

Aby zapanować nad parametrami generowanego prądu, które ulegają ciągłym zmianom, elektrownia musi mieć układ elektroniczny, który ustandaryzuje energię i dostosuje ją do parametrów wymaganych przez zasilane nią urządzenia elektryczne. Kiedy elektrownia wytwarza więcej energii niż potrzeba, nadmiar należy magazynować, a kiedy wytwarza mniej energii niż potrzeba, pobieramy zmagazynowaną energię.

W zależności od rodzaju magazynu, elektrownie dzielimy na:

  • on-grid – elektrownia wiatrowa łączona z siecią poprzez posiadająca inwerter, który dostosowuje wytworzoną energię do parametrów sieci. Nadmiary wytwarzanej przez elektrownię energii, wysyłane są do sieci. Licznik energii cofa się. Całkiem legalnie!
  • off-grid – elektrownia wiatrowa nie połączona z zewnętrzną siecią elektryczną. Takie elektrownie złożone są z: elektrowni wiatrowej, kontrolera ładowania baterii akumulatorów, akumulatorów i z inwertera (stosuje się go jeśli zachodzi potrzeba dostosowania napięcia do parametrów sieci, inwerter przetwarza prąd stały na zmienny).

By elektrownia powstała na fundamencie, potrzebne jest pozwolenie. Jeśli maszt zostanie umieszczony na odciągach, budowlę uznaje się za nietrwałą. Sposobem na uniknięcie walki o pozwolenie, jest usytuowanie elektrowni wiatrowej na budynku. Zgodnie z art. 30 ust. 1 pkt. 3 lit. b prawa budowlanego, obowiązek zgłoszenia wykonywanych robót budowlanych właściwemu organowi, powstaje dopiero przy instalowaniu urządzeń o wysokości większej niż 3 m na obiektach budowlanych. Jeżeli urządzenie jest niższe, nie trzeba zgłaszać jego instalacji.

Farmy wiatrowe – budowa

Farmy wiatrowe to elektrownie wytwarzające prąd przy pomocy generatorów, tylko n razy większe niż zwykła elektrownia wiatrowa. Farmy wiatrowe zajmują znacznie większą powierzchnię i mogą wykorzystywać także np. powierzchnię morza. Buduje się je z przeznaczeniem komercyjnym. Muszą spełniać podobne wymagania jak komercyjne elektrownie fotowoltaiczne (projekt budowlany, warunki przyłączeniowe, koncesja, promesa itp.).

Elektrownie wiatrowe – lokalizacja

Warunki lokalizacji elektrowni wiatrowych określone są w ustawie z dnia 20 maja 2016 r. Według jej zapisów odległość od sąsiedztwa, w jakiej może być usytuowana elektrownia wiatrowa musi być następująca:

  • „elektrownia wiatrowa – od budynku mieszkalnego albo budynku o funkcji mieszanej, w skład której wchodzi funkcja mieszkaniowa, oraz
    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)”.

Rozważa się jeszcze bardziej restrykcyjne ograniczenia. Planuje się wyznaczenie strefy odległości od zabudowań o szerokości od 2 do 3 km (nie będzie można w niej budować wiatraków). W pierwszym wariancie jest to 0,2% powierzchni Polski, w drugim 0%… Czyżby walka z wiatrakami?

Energetyka wiatrowa – zalety

Farmy i elektrownie wiatrowe zaliczane są do OZE. Wykorzystują darmowe zasoby. W miejscach, gdzie brakuje połączenia z siecią energetyczną, niewielkie, pojedyncze turbiny mogą być niezastąpionym źródłem energii. Elektrownie wiatrowe nie zanieczyszczają środowiska, choć działając w systemie mogą je zwiększać. To dlatego, że system energetyczny musi generować energię na poziomie niezależnym od siły wiatru. Gdy jej zabraknie, trzeba wytwarzać ją w elektrowniach węglowych, a te podczas rozpalania emitują znacznie więcej zanieczyszczeń niż w trakcie stałej pracy. Ostatecznie z powodu zmienności siły wiatru, do środowiska emitowanych jest więcej zanieczyszczeń…

Właśnie dlatego system energetyczny powinien opierać się na różnych OZE. One, w przeciwieństwie do konwencjonalnych elektrowni nie wytwarzają odpadów. Elektrownie wiatrowe nie zaburzają też stanu wód gruntowych, do czego dochodzi przy wydobywaniu węgla, gazu łupkowego czy energii geotermalnej. Elektrownie wiatrowe nie wymagają też dróg transportowych surowców. Z kolei farmy wiatrowe to firmy, które zapewniają miejsca pracy i powodują odprowadzanie podatków, powiększając budżety gmin. Koszty uzyskiwania energii z takich elektrowni są niezależne od wahań cen paliw. Co więcej, farmy wiatrowe mogą powstawać także na terenach, które będą użytkowane rolniczo.

elektrownie wiatrowe OZE

Elektrownie wiatrowe – wydajność

Ilość energii jaka może być wytworzona przez elektrownię wiatrową, równa jest 10… 20% iloczynu mocy nominalnej użytej turbiny oraz liczby godzin w ciągu roku (24h x 365 dni = 8760). Ten wzór uwzględnia także okresy bezwietrzne. W praktyce elektrownia wiatrowa o mocy znamionowej 2 kW zwykle jest w stanie zasilać podstawowe odbiorniki: oświetlenie, urządzenia RTV i AGD. Elektrownia o mocy 5 kW powinna już w pełni zaspokoić zapotrzebowanie na prąd w przeciętnym gospodarstwie domowym. Może też wystarczyć do wspomagania centralnego ogrzewania lub do podgrzania wody.

Farmy wiatrowe – wydajność

Do uzyskania 1 MW mocy, potrzebny jest wirnik turbiny wiatrowej o średnicy około 50 m. Aby farma wiatrowa generowała moc 1 GW musi liczyć 1000 turbin wiatrowych. W praktyce farmy wiatrowe dostarczają energii przez 1500 do 2000 godzin rocznie. Żeby wytworzyć 1 GW energii, potrzene jest około 3000 turbin o mocy 1 MW.

Elektrownie wiatrowe – wady

  • Elektrownie wiatrowe mają niekorzystne oddziaływanie na środowisko i organizmy żywe.
  • Potężne elementy ruchome w elektrowniach wiatrowych, w razie oderwania się, mogą stanowić ogromne zagrożenie dla wszystkiego, co znajdzie się na ich drodze.
  • Elektrownie typu off-grid muszą współpracować z baterią akumulatorów, które oddadzą taką ilość energii, jaką zużywa dane gospodarstwo domowe.
  • Elektrownie wiatrowe wytwarzają prąd jedynie przez 30% czasu i muszą być wspomagane przez elektrownie węglowe, których stałe rozpalanie i wygaszanie wiąże się ze wzrostem emisji zanieczyszczeń.

Energetyka wiatrowa na świecie

Raport GUS ” Energia ze źródeł odnawialnych w 2015 roku” wskazuje jaki był średni udział energetyki wiatrowej w krajach UE w latach 2011, 2012, 2013 oraz 2014. Było to odpowiednio: 9,4%, 9,8%, 10,6%, 11,1%. Najwięcej energii wiatru wykorzystują Niemcy. Wytwarzały z niej we wspomnianych okresach odpowiednio: 14,3%, 13,6%, 13,2%, 13,7% energii elektrycznej.

Przeciwieństwo stanowi Słowacja, która w ogóle nie przetwarza energii wiatru w prąd. Jak przedstawia się Polska na tle pozostałych krajów UE? Udział energii elektrycznej produkowanej z wiatru wynosił u nas: 3,7%, 4,8%, 6,1%, 8,3%. Czy to dużo, czy mało? Zarówno w UE, jak i w Polsce najwięcej energii wytwarzane się z biopaliw stałych (ponad 40% w UE i przeszło 80% w Polsce). Najmniej popularnym OZE nadal jest energia geotermalna (ok.3% w UE i 0,2% w Polsce).

Zobacz też:

OZE – co to? Czyli wszystko o odnawialnych źródłach energii

Panele słoneczne czy kolektory? Co wybrać?

Biomasa – co to jest? jakie są rodzaje biomasy?

Załaduj więcej powiązanych artykułów
Załaduj więcej przez energiaonline
Załaduj więcej w Prąd

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Sprawdź również

Nadpłata za prąd – jak uzyskać zwrot?

Skąd się bierze nadpłata za prąd? Czy możemy jakoś uzyskać zwrot za taką nadpłatę? Jeśli t…