of 16 /16
Rozdział 3 Energia wiatrowa 3.1. Wprowadzenie 3.2. Historia energii wiatrowej 3.3. Zasada działania 3.4. Rodzaje turbin wiatrowych 3.5. Budowa turbiny wiatrowej 3.6. Temat zaawansowany: Energia i moc wiatru 3.7. Wpływ wysokości wież wiatrowych 3.8. Teoretyczny potencjał energetyczny wiatru 3.9. Obliczanie energii z turbiny wiatrowej 3.10. Współczynnik wydajności 3.11. Farmy wiatrowe 3.12. Podsumowanie

Rozdział 3 Energia wiatrowa - zs9elektronik.plzs9elektronik.pl/inne/karolina/podr_3_energia_wiatrowa.pdf · Jego 10-metrowa turbina wiatrowa, z łopatami pokrytymi tkaniną, została

Embed Size (px)

Text of Rozdział 3 Energia wiatrowa -...

Odnawialne rda energii / Energia wiatrowa 45

Ro

zdzi

a 3

Rozdzia 3

Energia wiatrowa

3.1. Wprowadzenie3.2. Historia energii wiatrowej3.3. Zasada dziaania3.4. Rodzaje turbin wiatrowych3.5. Budowa turbiny wiatrowej3.6. Temat zaawansowany: Energia i moc wiatru3.7. Wpyw wysokoci wie wiatrowych3.8. Teoretyczny potencja energetyczny wiatru3.9. Obliczanie energii z turbiny wiatrowej3.10. Wspczynnik wydajnoci3.11. Farmy wiatrowe3.12. Podsumowanie

46 Energia wiatrowa / Odnawialne rda energii

3.1 Wprowadzenie

Czasami trudno jest sobie wyobrazi, e co, czego nie wida moe mie wystarczajco duy cig aby pozyskiwa z niego energi. Masy powietrza zachowuj si analogicznie jak pyny przemieszczajc si, dostarczaj energi kinetyczn. W turbinie wiatrowej opatki turbin wychwytuj energi kinetyczn wiatru. Gdy wirnik wiatraka wychwyci energi wiatru, zacznie si porusza i obraca wa, ktry po-czony jest z generatorem. W ten sposb energia obrotowa jest przetwarzana w energi elektryczn. Typowe turbiny wiatrowe s pokazane na Ilustracji 3-1.

Kiedy powietrze nagrzewa si, staje si lejsze i szybko si unosi. Cieplejsze czstki powie-trza wykazuj wiksze cinienie, ni chodniejsze czsteczki, dlatego potrzebuj mniej czsteczek do utrzymania tego samego cinienia powietrza. Gdy gorce powietrze unosi si do gry, chodniejsze powietrze przemieszcza si wype-niajc luki po gorcym powietrzu. Ruch takie-go powietrza nazywamy wiatrem. Wiatr spycha obiekty, ktre znajd si na jego drodze, prze-noszc na nie cz swojej energii. Tak wanie turbiny wiatrowe przechwytuj energi z wiatru. Ilustracja 3-2 pokazuje, jak temperatura wpywa na cyrkulacj powietrza.

Ilustracja 3-1. Farma wiatrowa

Ilustracja 3-2. Cyrkulacja powietrza ze wzgldu na temperatur

chodne

opadajce

powietrze

stygnce ciepe powietrze

ciepe,

wznoszce si

powietrze

ogrzewajce si

chodne powietrze

Odnawialne rda energii / Energia wiatrowa 47

Ro

zdzi

a 3

3.2 Historia energii wiatrowej

Energia wiatru bya wykorzystywana do takich zada, jak pompowanie wody, mielenie ziarna, napdzania aglowcw, zasilania maszyn czy naturalnej wentylacji w budynkach, od co najmniej 5500 lat. W ambitnym projekcie babiloski wadca, Hammurabi, planowa wykorzysta energi wiatrow do nawadniania ju w 17 wieku p.n.e.

W niektrych krajach, takich jak Dania, od okoo 20 do 40% zapotrzebowania kraju na energi jest realizowane dziki wykorzystaniu odnawialnych rde energii wiatrowej. To pokazuje, e wiatr nie tyl-ko nadaje si do zasilania maego domu wiejskiego, ale energia wiatrowa moe rwnie zasila cae aglomeracje miejskie.

Hammurabi:

Hammurabi by pierwszym krlem imperium Babiloskiego. Imperium to kontrolowao ca Mezopotami wygrywajc seri wojen z ssiednimi krlestwami. Hammurabi stworzy zbir ustaw zwanym kodeksem Hammurabiego. By to jeden z pierwszych zestaww pisemnych uregulowa prawnych w historii. Ustanowione przepisy zostay zapisane na kamiennej tablicy, ktra mierzya sze stp wysokoci.

Znaleziono dowody, e w staroytnym Cejlonie 300 lat p.n.e. uywano wiatrw monsunowych do zasila-nia piecw. Energia wiatru bya wykorzystana do doprowadzenia temperatury wewntrz pieca nawet do 1100 1200C [13,16]. Pierwsze wiatraki - myny wiatrowe zostay zbudowane w Sistan w Afganistanie w VII wieku. Byy to wiatraki o poziomej osi obrotu, ktre miay po 6 - 12 ramion wykonanych z mat lub tkanin. Byy wykorzystywane w przetwrstwie czciny cukrowej i do mielenia zbrz. Poziome wiatraki byy wykorzystywane w pnocno-zachodniej Europie od roku 1180, a wiele z nich, gwnie wiatrakw holenderskich, stoi do dzi. Ilustracja 3-3 pokazuje dawny wiatrak, a Ilustracja 3-4 najwaniejsze wy-darzenia zwizane z histori wykorzystania energii wiatru.

Pompy wodne wykorzystujce energi wiatru byy gwnym czynnikiem rozwoju rolnictwa i hodowli na rozlegych obszarach Ameryki Pnocnej, gdy w dziewitnastym wieku znaczna cz tego kontynentu nie miaa atwego dostpu do wody. Wiatrowe pompy wodne przyczyniy si rwnie do oglnowiatowej ekspansji transportu kolejowego, zapewniajc dostarczanie wody dla potrzeb parowozw.

Amerykanin imieniem Charles F. Brush uwaany jest za pierwsz osob, ktra wytworzya energi elektryczn przy uyciu maszyny wiatrowej. Po raz pierwszy uy on turbiny wiatrowej zim 1887 roku [13, 16]. W 1891 roku szkocki naukowiec, profesor James Blyth, podj si podobnego eksperymentu w Wielkiej Brytanii. Jego 10-metrowa turbina wiatrowa, z opatami pokrytymi tkanin, zostaa zainstalowa-na w ogrodzie domu letniskowego w Szkocji do zasilania owietlenia w domku. Zbudowa on rwnie ma-szyn wiatrow do awaryjnego zasilania lokalnego szpitala psychiatrycznego, przychodni i ambulatorium w Montrose. Jednake wynalazek nigdy nie zosta w peni wykorzystany, ze wzgldu na nieopacalno tej technologii w tamtych czasach.

Duczyk Poul la Cour w 1891 r. zbudowa pierwsz elektryczn maszyn wiatrow z uwzgldnie-niem aerodynamicznych zasad projektowania, wykorzystywanych do budowy europejskich mynw wiatrowych. Wiatraki okazay si bardzo praktyczne, wytwarzajc energi elektryczn, i szybko roz-przestrzeniy si w caej Danii. La Cour uy energii elektrycznej, wytworzonej przez turbiny wiatrowe, do elektrolizy wody i produkcji wodoru. Posuyo to do zasilania lamp gazowych w lokalnej szkole.

Ro

zdzi

a 3

48 Energia wiatrowa / Odnawialne rda energii

Ilustracja 3-3. Tradycyjny wiatrak holenderski

W zwizku z tym moemy powiedzie, e o 100 lat wyprzedzi swj czas, bo jego wizja zawiera rozwi-zania spotykane w sonecznych i wiatrowych systemach elektroenergetycznych, ktre zakadaj wyko-rzystanie wodoru w procesie elektrolizy do wytwarzania energii. Jednak, do koca I wojny wiatowej, paliwa kopalne i para wypary witraki opracowane przez La Courta [14].

Na pocztku dwudziestego wieku, setki tysicy turbin wiatrowych uywanych byo na obszarach wiejskich, ktre nie byy podczone do sieci elektrycznej. Zainteresowanie systemami wiatrowymi spado, kiedy rozszerzya si, bardziej niezawodna i tasza, sie energii elektrycznej. Problem braku ropy naftowej w latach 70-tych dwudziestego wieku spowodowa wzrost wiadomoci problemw energetycznych

Ilustracja 3-4. Krtka historia instalacji turbin wiatrowych

Pierwsze wiatraki uytkowe zostay zbudowane w Sistan, w Afganistanie

Poziome wiatraki po raz pierwszy zostay wykorzystane w pnocno-zachodniej Europie

Charles F. Brush by pierwszym Amerykaninem, ktry do produkcji energii elektrycznej wykorzysta turbin wiatrow

Szkocki profesor James Blyth, by pierwsz osob, ktra do produkcji energii elektrycznej uya maszyny wiatrowej. Duczyk Lacour take opracowa pierwsz maszyn wiatrow, dostarczajc prd dla europejskich wie mynowych

Setki tysicy mynw wiatrowych w Europie i USA byo wykorzystywanychw

obszarach wiejskich nie podczonych do sieci elektrycznej

Liczba instalacji turbin wiatrowych wzrasta na caym wiecie, zwaszcza w Niemczech, Danii, Hiszpanii, USA i Indiach

1900r.

VIIwiek

1180r.

1887r.

1891r.

Pocztek

1980r.do dzisiaj

Odnawialne rda energii / Energia wiatrowa 49

Ro

zdzi

a 3

oraz wzrost wiadomoci wykorzystania energetyki wiatrowej. Podczas nastpnej dekady, ilo turbin wiatrowych na caym wiecie szybko rosa a szczeglnie duo ich powstao w Kalifornii. Stan Kalifornia utworzy specjaln ulg podatkow, ktra doprowadzia do znacznego wzrostu popularnoci energii wiatrowej. Ale w poowie lat osiemdziesitych, przyznawanie ulgi podatkowej zostao zakoczone, co zahamowao rozwj brany energetyki wiatrowej w Stanach Zjednoczonych, a do wczesnych lat 90.

Rozwj technologii wiatrowej kontynuowany by w Niemczech, Danii i Hiszpanii. Kraje te byy przygo-towane, gdy zainteresowanie energi wiatrow zaczo ponownie rosn w poowie lat 90. Niemcy, Hiszpania, Stany Zjednoczone, Dania i Indie s obecnie wiatowymi liderami w produkcji energii elek-trycznej w elektrowniach wiatrowych.

3.3 Zasada dziaania

3.3.1 Naziemne systemy wiatrowe

Powszechnie wiadomo, e o Ziemi jest lekko nachylona i e Ziemia porusza si wok Soca. Z tego powodu, w rnych czciach Ziemi, wystpuj rne iloci energii sonecznej.

Ciepe

Ciepe

H30

0

30H

H

H

H

H

L

L

LL

Zimne

Zimne

Komrki Hadleya

Fronty

Fronty

Subtropiki

Subtropiki

Opady (O)kontra

Parowanie(P)

O

P

Strefa konwergacji tropikalnej

L

L

Ilustracja 3-5. Globalna cyrkulacja wiatrw

Sia wiatru, w danej lokalizacji, uzaleniona jest od aktualnego ustawienia Ziemi wzgldem soca. Ze wzgldu na nachylenie Ziemi, w rnych czciach wiata, s ciepe i zimne pory roku. Te r-nice w ogrzewaniu Ziemi tworz globalny system konwekcji atmosfery, ktry rozciga si od po-wierzchni Ziemi, a do stratosfery. W czciach Ziemi, ktre s ciepe, powietrze jest ogrzewane i wznosi si ku grze. Ziemia obraca si co powoduje przemieszczanie si powietrza, a ciepe jego masy zatrzymuje ziemska grawitacja. Wikszo energii zmagazynowanej w wietrze mona znale na duych wysokociach, gdzie prdko wiatru jest w miar staa i wynosi ponad 160 km/h. Energia wiatru jest ostatecznie rozpraszana w postaci ciepa w wyniku tarcia o powierzchni Ziemi i atmosfer. Dlatego wiatr faktycznie gromadzi energi soneczn, a turbiny wiatrowe j przejmuj. Na Ilustracji 3-5 jest przedstawiona globalna cyrkulacja wiatrw.

50 Energia wiatrowa / Odnawialne rda energii

Na ksztat i ruch wiatru wpywaj oceany, gry a nawet budynki. Najwaniejszy wpyw na wiatr ma jednak gradient temperaturowy pomidzy powietrzem nad ldem i wod. Na mapach pogodowych, mona zauway, e istniej regiony wysokiego oraz niskiego cinienia i otoczone s one warstwicami. Warstwice te reprezentuj linie staego cinienia, co pokazano na Ilustracji 3-6.

3.3.2 Aerodynamika turbin wiatrowych

Kiedy sia jest przenoszona z jednego obiektu na drugi, ten drugi obiekt bdzie porusza si w tym samym kirunku co obiekt pierwszy. Jednak, gdy ciao stae przenosi si lub energi do ciecz , reakcja jest zupenie inna. Tworz si dwie siy. jedna to sia oporu, a druga to sia nona. Siy te dziaaj prosto-padle do siebie i zale od ksztatu obiektu, kierunku ruchu, gstoci oraz prdkoci kadego z nich. W przypadku turbin wiatrowych ciaem staym jest skrzydo wirnika, a pynem jest powietrze.

Sia nona

Kt natarcia Ciciwa profiluskrzyda

Sia oporu

Nacie

rajcy

wiatr

Ilustracja 3-6. Mapa pogodowa pokazujca wysokie i niskie cinienie

Sia nona (Fn):

Sia, ktra popycha obiekt w gr, lub pod ktem prostym do wypadkowego kierunku strumienia wiatru.

Sia oporu:

Sia, ktra wystpuje, gdy obiekt porusza si poprzez pyn. Jest to opr ruchu obiektu w pynie. Aby obiekt mia mniejsz si oporu musi mie mniejsze tarcie. Czci skrzyda samolotu s tak zapro-jektowane, aby siy oporu byy jak najmniejsze.

Ilustracja 3-7. Koncepcja siy nonej i siy oporu

Odnawialne rda energii / Energia wiatrowa 51

Ro

zdzi

a 3

3.4. Rodzaje turbin wiatrowych

Turbiny wiatrowe s klasyfikowane przez o, wok ktrej obracaj si opatki turbiny. Wikszo turbin wiatrowych, to turbiny wiatrowe osi poziomej (HAWT-Horizontal Axis Wind Turbines), ale wystpuj rwnie turbiny osi pionowej (VAWT-Vertical Axis Wind Turbines). Ilustracja 3-8 przedstawia poziome i pionowe konfiguracje turbin wiatrowych.

3.4.1 Turbiny wiatrowe osi poziomej

Poziome turbiny wiatrowe (HAWTs) skadaj si z gwnego wau wirnika i generatora elektrycznego umiejscowionego na szczycie wiey. Maj zazwyczaj przekadni, ktra zmienia wolniejsze obroty na szybsze, w celu uzyskania wikszej iloci energii elektrycznej. opatki turbin s zwykle bardzo sztywne, ale dodatkowo, aby zapobiec uszkodzeniu wiey opat, s one umieszczone w pewnej odlegoci od wiey.

HAWTs moe mie dowoln liczb opat. Wiedz dotyczca nowoczesnych turbin wiatrowych bazu-je na dowiadczeniach z aerodynamiki, uzyskanych gwnie przy projektowaniu skrzyde i migie samolotw. HAWTs s jak dotd, najbardziej popularnymi wiatrakami wykorzystywanymi do produkcji energii elektrycznej.

Ilustracja 3-8. Pozioma i pionowa konfiguracja turbiny wiatrowej

52 Energia wiatrowa / Odnawialne rda energii

Optymalna liczba opat wirujcych zaley od rodzaju zastosowa turbin wiatrowych. Wieloskrzydowe wiatraki z pomp wodn wykorzystywane s czsto na farmach do pompowania wody i s zaprojekto-wane inaczej, ni wiatraki przeznaczone do wytwarzania energii elektrycznej. Wiatraki wykorzystywane do pompowania wody musz posiada wysoki moment rozruchowy do pokonania ciaru i tarcia wau pompy, ktry porusza si w gr i w d studni. Dziaaj one przy niskich prdkociach wiatru, w celu zapewnienia cigego pompowania wody. Czym wiksza ilo obrotw na minut (RPM), tym turbulencja od jednej opaty silniej wpywa na nastpn.

opaty turbin wiatrowych s zwykle w kolorze szarym tak, aby zleway si z chmurami, a ich dugo moe waha si nawet od 20 do 40 metrw. Wiee wiatrowe mierz od 20 do 40 metrw. opaty wirnika zazwyczaj obracaj si od 10 do 22 obrotw na minut. Niektre turbi-ny wiatrowe dziaaj ze sta prdkoci, inne z prdkoci zmienn. Wszystkie maj, system automatycznego wyczania przy bardzo niskich lub bardzo wysokich prdkociach wiatru.

3.4.2 Turbiny wiatrowe osi pionowej

Francuski inynier G.M. Darrieus jako pierwszy, w 1920 roku, opracowa generator wiatrowy z pionow osi obrotu. Pionowo zamontowane opaty miay ksztat rcznej ubijaczki do jajek. Pierwszy duy pio-nowy generator wiatrowy z wirnikiem, o rednicy 34 metrw, zosta zbudowany przez Sandia National Laboratories w Stanach Zjednoczonych i wytwarza moc 500 kW.

Turbiny wiatrowe osi pionowej mog, w przypadku zmiany kierunku wiatru, wykorzysta wiatr wiejcy ze wszystkich stron, bez koniecznoci zmiany pooenia wirnika. Najwiksz zalet turbiny osi pionowej jest brak koniecznoci kontroli znoszenia AYC, ktrej zadaniem jest utrzymywanie wirnika pod wiatr. Kolejn zalet jest atwo wykonywania kontroli i napraw serwisowych, poniewa konstrukcja wiatraka znajduje si bliej ziemi. Ponadto w ukadzie pionowym, konstrukcja wiey nie musi by tak mocna jak turbina osi poziomej HAWT, poniewa sprzt zainstalowany na szczycie wiey nie jest taki ciki. Pio-nowe wiatraki maj rwnie do lekk konstrukcj, poniewa opaty osi pionowej nie s tak wraliwe na wyginanie. Ciar cakowity takich turbin mona, dodatkowo, zmniejszy korzystajc z odcigw.

Pionowa konfiguracja wiatraka ma rwnie i t przewag nad poziom, e umoliwia kontrolowanie przez sam wiatr odchylenia (ruch w lewo-prawo), powodujc naturalne prawidowe ustawienie wiatraka do kierunku wiatru. W turbinach osi poziomej kiedy opatki wirnika, umiejscowione na wiey, napotkaj na chwilowo sabszy wiatr, lekko si uginaj. Takie ugicie zmniejsza moc wiatraka, zwiksza haas opat i moe doprowadzi do ich uszkodzenia.

Turbiny o osi pionowej rwnie maj kilka wad. Jedn z nich jest problem wysokoci wirnika. Jego opatki znajduj si bliej ziemi, gdzie prdko wiatru jest znacznie nisza. Dodatkowo wiatry bliej ziemi nie tylko s wolniejsze, ale rwnie o wiele bardziej nieregularne - co zwiksza naciski na turbin VAWTs. Wiatraki o niskiej prdkoci, takie jak wirniki Darrieusa maj bardzo may moment rozruchowy, a moc wyjciowa musi by dodatkowo kontrolowana w celu ochrony generatora.

Odnawialne rda energii / Energia wiatrowa 53

Ro

zdzi

a 3

3.5 Budowa turbiny wiatrowej

Zasada dziaania turbin wiatrowych jest bardzo prosta: energia wiatru obraca dwie lub trzy opaty wok wirnika. Wirnik jest poczony z waem, ktry napdza generator i wytwarza energi elektryczn.

Turbiny wiatrowe s montowane na wieach, aby uchwyci wiksz energi wiatru. Dusze opaty, mog lepiej wykorzysta szybszy i mniej burzliwy wiatr. Prosta turbina wiatrowa skada si z trzech gwnych czci: opat, wau i generatora tak, jak pokazano na Ilustracjach 3-10 i 3-11:

opaty:

opata dziaa jako bariera dla wiatru. Kiedy wiatr zmusza opat do poruszania si, cz energii wiatrowej jest przekazywana do wirnika.

Wa:

Gdy wirnik obraca si, obraca si rwnie wa, przenoszc energi mechaniczn na energi obrotow.

Generator:

Generator wykorzystuje rnice adunku elektrycznego (indukcja elektromagnetyczna) do wytwarzania zmian w napiciu. Napicie jest, tak naprawd, elektrycznym cinieniem, ktrego sia porusza prd elektryczny. Napicie elektryczne (prd zmienny) przenoszone jest do odbiorcw poprzez linie elektryczne.

Wa

GeneratorWiatrowskaz

opaty

Ukad elektryczny

Energia elektryczna wytwarzana w farmach wiatrowych jest najczciej przekazywana do sieci elektrycznej. Poszczeglne turbiny s poczone z systemem magazynowania energii i z sieci komunikacyjn. W podstacji, wytwo-rzone z wiatru rednie napicie elektryczne jest zwikszane przez transformator, a nastpnie jest przesyane do systemu linii wysokiego napicia. Jeeli powstan nadwyki energii elektrycznej, ktre nie mog zosta wprowadzone do sieci, wwczas generatory wiatrowe mog dostarcza energii niezbdnej np. do wytwarzania wodoru z ktrego mona wytworzy energi elektrycz-n np. wtedy gdy bd niesprzyjajce warunki pogodowe do pracy generatorw wiatrowych.

Ilustracja 3-10. Podstawowa budowa turbiny elektrycznej

Ro

zdzi

a 3

Ro

zdzi

a 3

54 Energia wiatrowa / Odnawialne rda energii

Ilustracja 3-11. Komponenty turbiny wiatrowej RE Power Systems o mocy 1 MW i 3,4 MW

Gowica i oysko wirnika Przekadnia-skrzynia biegw

Hamulec postojowy

Generator i konwerter prdu

System naprowadzania na kierunek wiatru

System ochrony przed piorunami

System regulacji kta opat

Hamulec postojowy Przekadnia-skrzynia biegw

Gowica i oysko wirnika

Generator i konwerter prdu

System regulacji kta opat

System ochrony przed piorunami

System naprowadzania na kierunek wiatru

Odnawialne rda energii / Energia wiatrowa 55

Ro

zdzi

a 3

Wspczynnik przepywu masy m, przez obszar A jest iloczynem gstoci powietrza , prdkoci V, oraz powierzchni przekroju A i moe by wyraony matematycznie jako:

Podstawiajc za m do powyszego wzoru, daje nam wan relacj:

gdzie P jest moc wiatru (w watach), jest gstoci powietrza (kg/m3) (przy 15C i 1 atm, = 1.225 kg/m3); A to powierzchnia zakrelana przez wirnik (m2) oraz V jest prdko-ci wiatru w kierunku prostopadym do A (m/s).Wzrost energii wiatru do szecianu prdkoci wiatru - oznacza, e podwojony wiatr zwiksza moc omiokrotnie. Wiele turbin wiatrowych jest automatycznie wyczanych przy niskich prdkociach wia-tru. Rwnanie wskazuje rwnie, e energia wiatru jest proporcjonalna do obszaru powierzchni obrotu wirnika turbiny i rednicy opat. Podwojenie rednicy zwiksza dostpn moc czterokrotnie. Moc uzy-skana z turbiny wiatrowej jest rwnie zwizana z gstoci powietrza. Na wikszych wysokociach, takich jak obszary grskie, gsto jest nisza. Gsto powietrza w zimnym klimacie jest rwnie o 10% wysza, ni w regionach tropikalnych. To pomaga wyjani dlaczego warto korzysta z wikszych turbin wiatrowych.

Ilustracja 3-13. Masa powietrza przechodzcego z dan prdkoci przez okrelony obszar

Masa przechodzca przez A

Czas= m = AV

AV3P =2

1

3.6 Temat zaawansowany: Energia i moc wiatru

Jeli mamy jak okrelon mas m powietrza, ktra porusza si z prdkoci V, jej energia kinetyczna (KE) moe by wyraona przez relacj przedstawion na ilustracji 3-12:

Energia kinetyczna = poowa masy x prdko do kwadratu

lub

gdzie m jest w kilogramach, a V jest w metrach na sekund (m/s).

KE =2

1mV2

Ilustracja 3-12. Masa porusza si z wiatrem z pewn prdkoci

A

m v

m v

Mnoc objto powietrza przez gsto po-wietrza , (ktra wynosi 1,2256 kg/m3), masa powietrza przepywajcego przez objto na sekund moe by wyraona przez [12]:

Ilustracja 3-13 prezentuje moc jako energi przypadajc na jednostk czasu, a to moe by reprezentowane przez masy powietrza poruszajce si z prdkoci v przez obszar A:

Masa powietrza na sekund (m)

gsto powietrza

objto powietrzaprzepywajcego

na sekund.x =

56 Energia wiatrowa / Odnawialne rda energii

3.7 Wpyw wysokoci wie wiatrowych

Poniewa moc wiatru jest proporcjonalna do szecianu prdkoci wiatru, to nawet niewielki wzrost prdkoci wiatru moe mie znaczenie. Jedn z metod wykorzystywania wikszej prdkoci wiatru jest zamontowanie turbiny na wysokiej wiey. W pierwszych kilkuset metrach nad ziemi, duy wpyw na prdko wiatru ma tarcie, poniewa powietrze porusza si po powierzchni Ziemi. Powierzchnie, takie jak morze stwarzaj znacznie mniejszy opr wiatrom, w przeciwiestwie do ldw, gdzie wiatry spowolniane s przez budynki, lasy i inne struktury.

3.8 Teoretyczny potencja energetyczny wiatru

Potencjalna energia wiatru, dostpna w atmosferze, jest znacznie wiksza ni obecne zuycie energii na caym wiecie. Potencja energetyczny wiatru na ldzie i w jego pobliu wynosi okoo 72 terawat (TW), co odpowiada 54.000 milionom ton ekwiwalentu ropy naftowej rocznie lub piciokrotnemu cakowitemu wiatowemu zuyciu energii. Wzito tu pod uwag tylko te lokalizacje, na ktrych rednia roczna prdko wiatru jest wiksza lub rwna 6.9 metrw na sekund (m/s) na 80 metrach. Zakada to wykorzystanie okoo 13% powierzchni ldw, gdzie na kadym kilometrze kwadratowym umieszczono po 6 turbin o mocy 1,5 MW (uwzgldniajc wykorzystanie tych obszarw rwnie do innych celw, takich jak rolnictwo).

3.8.1 Rozkad prdkoci wiatru

Sia wiatru jest zmienna, a rednia warto dla wybranych lokalizacji nie oznacza, e wiatr tam moe by produktywny. Aby okreli prdko wiatru w konkretnych miejscach, naley wykorzysta funkcje rozkadu prawdopodobiestwa dla zaobserwowanych danych, tak jak pokazano na Ilustracji 3-14. Rozkad prdkoci wiatru zaley od lokalizacji i pory roku.

Ilustracja 3-14. Prawdopodobiestwo rozkadu si prdkoci wiatru

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

Prdko wiatru (m/s)

Cz

sto

tliw

o

Obserwowaneczstotliwoci

CzstotliwociWeibulla

Odnawialne rda energii / Energia wiatrowa 57

Ro

zdzi

a 3

Ro

zdzi

a 3

Ro

zdzi

a 3

Ilustracja 3-15. Budowa wiey turbiny wiatrowej (RE Power Systems)

58 Energia wiatrowa / Odnawialne rda energii

Poniewa energia jest generowana przez wiatr o odpowiedniej prdkoci, moe dochodzi do przerw w dostarczaniu energii. Dlatego energetyka wiatrowa nie moe dostarcza energii w sposb tak stabilny jak elektrownie wglowe. Wytwarzanie energii z wiatru wymaga czenia wiatrakw w farmy, tak aby wyeliminowa okresy, kiedy zmienno wiatrw powoduje przerwy w dostawie energii. Hybrydowe systemy energii odnawialnej (energia soneczna, ogniwa paliwowe oraz systemy oparte na elektrolize-rach) s projektowane tak, aby maksymalnie zniwelowa okresy, kiedy odnawialne rda energii nie produkuj energii.

Jeli jest znana lub mona oszacowa redni roczn prdko wiatru w konkretnym miejscu, to wstpn szacowan wielko produkcji energii elektrycznej mona obliczy z nastpujcego rwnania:

Roczna produkcja energii elektrycznej = KV3AT

Gdzie K = 3.2 to wspczynnik oparty na typowych charakterystykach turbin, V to roczna rednia prd-ko wiatru (m/s), A to powierzchnia zakrelana przez wirnik (m2) i T oznacza liczb turbin. Wzr ten naley stosowa z ostronoci, poniewa opiera si na dostpnych urednionych charakterystykach turbin wiatrowych oraz zakada rwnie redni roczn prdko wiatru i czstotliwo prdkoci wiatru.

3.9 Obliczanie energii z turbiny wiatrowej

Ilo energii w wietrze, ktra moe zosta przechwycona i przeksztacona w energi elektryczn zaley od wielu czynnikw, takich jak: budowa wiatraka (wirnik, generator, wiea i sterowanie), terenu (topografia, chropowato powierzchni i przeszkd) oraz cechy wiatru (prdko, czas i przewidywalno).

Budujc wydajne farmy wiatrowe naley wzi pod uwag parametry wyjciowe oferowane przez wiele rnych turbin. Kilka prostych oblicze moe da dobr ocen energetyczn. Jeeli jednak potrzebujemy bardziej rozbudowanych oblicze wydajnoci turbin wiatrowych bdziemy musieli wykona bardziej dokadne pomiary. Moc turbiny wiatrowej zmienia si wraz z prdkoci wiatru, a kada turbina posiada krzyw mocy. Przykadowy wykres krzywej mocy jest pokazany na Ilustracji 3-16.

Ilustracja 3-16. Krzywa mocy w zalenoci od prdkoci wiatru

Marlec 910F Krzywa mocy

Marlec 910F Pomiary krzywej mocy

0

20

40

60

80

100

120

140

51 01 52 02 53 03 5

Wat

y

Odnawialne rda energii / Energia wiatrowa 59

Ro

zdzi

a 3

3.10 Wspczynnik wydajnoci

Nie jest atwo obliczy roczn produkcj energii z farmy wiatrowej, ktra jest wspczynnikiem wykorzy-stania turbiny wiatrowej pomnoonym przez ogln liczb godzin i dni w roku. Wspczynnik wydajnoci (CF) jest to stosunek rzeczywistej produktywnoci w roku do teoretycznego maksimum, a to zazwyczaj daje 20 - 40%. Ilo megawatogodzin (MWh) mona obliczy z nastpujcego rwnania:

Ilo MWh = CF * ilo godzin * ilo dni

Na przykad, turbina o mocy 1 MW i wspczynniku wydajnoci 35%, nie jest w stanie produkowa 8760 MWh w roku (1x24x365), ale tylko 0,35x24x365 = 3066 MWh, co daje rednio 0,35 MW. Dostpne s dane dla poszczeglnych lokalizacji na wiecie, dziki temu moliwe jest obliczenie rocznej produkcji.

3.11 Farmy wiatrowe

W miejscach cechujcych si silnym wiatrem, wiele turbin moe tworzy farmy wiatrowe lub parki wia-trowe. Do zalet takich zbiorw elektrowni wiatrowych zalicza si zmniejszenie kosztw eksploatacji, scentralizowany dostp oraz atwe poczenie liniami przesyowymi. Ilustracja 3-17 prezentuje wykorzy-stanie energii wiatru do elektrolizy w systemach scentralizowanych oraz rozproszonych wrd odbiorcw.

Turbiny wiatrowe nie mog by umieszczone zbyt blisko siebie, poniewa bd one kolidowa ze sob, co spowoduje efekt downwind.

Downwind:

Wiatr o energii czciowo zabranej przez wirnik, powodujcy zmniejszenie dostpnej mocy dla dalszych maszyn wiatrowych.

Jest oczywiste, e energia wiatrowa jest bardzo korzystnym rdem energii odnawialnej i jest jednym z najlepszych sposobw dostarczania energii w przyszoci. Rzdy na caym wiecie s bardzo zainte-resowane pomylnym i szybkim rozwojem energetyki wiatrowej.

Ilustracja 3-17. Przykady centralnej i rozproszonej elektrolizy wiatrowej

Domowe stacjepaliwoweStacje dystrybucji

wodoru

Dostarczanie

Ciarwka Rurocig

Elektrolizer

Elektrolizery rozproszone(elektryczne)

Transmisja i dystrybucjaenergii elektrycznej

Centralny elektrolizer wiatrowy (H

2)

Domowa stacjatankowania

60 Energia wiatrowa / Odnawialne rda energii

3.12 Podsumowanie

Energia wiatrowa, bdzie zapewne podstawowym elementem przyszej gospodarki energi odnawialn. Energetyka wiatrowa wykorzystuje ruch wiatru, aby pozyska energi kinetyczn. Trzy gwne elementy turbiny wiatrowej to: opaty, wa i generator. Energia kinetyczna wiatru jest przechwytywana przez opaty turbiny, gdy tylko zaczynaj si one porusza. Ruch opat obraca wa, podczony do generatora. Ener-gia obrotowa jest nastpnie przeksztacana w energi elektryczn. Turbiny wiatrowe s klasyfikowane przez o, wok ktrej obracaj si opaty turbiny. Dwa gwne typy turbin wiatrowych to turbina z osi poziom (HAWT) i turbina z osi pionow (VAWT). Na wiksz skal (skala megawatowa) energi mo-na pozyskiwa z wielkich farm wiatrowych lub poprzez integracj turbin wiatrowych z elektrolizerami i ogniwami paliwowymi jako cz hybrydowego systemu energetycznego. Energia wiatrowa jest bardzo efektywnym rdem energii odnawialnej i jest jednym z najlepszych sposobw dostarczania energii w przyszoci.

Ilustracja 3-18. Wntrze wiey turbiny wiatrowej (RT Power Systems)