Energia wiatrowa odgrywa coraz większą rolę w światowym bilansie energetycznym. Decyduje o tym przede wszystkim rozwój dużych farm wiatrowych, których koszty należy liczyć w milionach euro a zainstalowane moce w megawatach. Równolegle rozwija się także rynek tzw. mikroturbin wiatrowym, dzięki którym przysłowiowy Kowalski może wnieść swój mały wkład w rozwój energetyki wiatrowej.

Małą, przydomową elektrownie wiatrową powinny charakteryzować następujące paramatry:

• prosta i niezawodną konstrukcja,
• niewielki rozmiar i masa,
• przystępna cena.

Silnik wiatrowy (rotor)

W dużych elektrowniach ze względu na wysoką sprawność stosuje się niemal wyłącznie konstrukcje o poziomej osi obrotu. Rotory takie mają największą sprawność, wymagają jednak zaawansowanych technologii (skomplikowany profil aerodynamiczny łopat, mechanizm kierunkowania gondoli pod wiatr, bardzo wytrzymały maszt). Dlatego w małych konstrukcjach (szczególnie amatorskich), gdzie koszty i prostota są ważniejsze niż wyśrubowana wydajność, popularne jest stosowanie wirników z osią pionową. Takie rozwiązanie ma szereg poważnych zalet:

• brak mechanizmu „kierowania na wiatr”
• nie wymaga wysokich, kłopotliwych w montażu wysokich masztów,
• mały hałas
• odporność na silny wiatr – charakterystyka aerodynamiczna nie pozwala na nadmierne „rozbieganie” się wirnika

Jednym z najpopularniejszych rotorów o pionowej osi obrotu jest tzw Savonius (silnik Savoniusa). Łatwo go zbudować metodą chałupniczą wykorzystując rozkrojoną na pół … blaszaną beczkę.

Przykład wirnika o pionowej osi obrotu - rotor Savoniusa; a) budowa b) zasada działania

Indywidualnie czy zespołowo

Małe elektrownie wiatrowe mogą pracować w dwóch systemach:

• autonomicznym – wyprodukowana energia zasila wydzieloną sieć,
• zsynchronizowanym – elektrownia jest sprzęgnięta z publiczną siecią elektroenergetyczną.

Praca na obwód wydzielony. Mała turbina wiatrowa świetnie się nadaje do zasilania wydzielonego obwodu prądu stałego – np. instalacji oświetleniowej ogrodu. Aby zapewnić ciągłość zasilania i uniezależnić się od kaprysów pogody z turbiną sprzęgnięty jest zespół akumulatorów. Nowoczesne źródła światła (np. żarówki LED) charakteryzują się bardzo małym poborem energii – dzięki temu można użyć wiatraka już o mocy kilkuset watów. Aby zwiększyć niezawodność układ można wzbogacić dodatkowo o panel fotowoltaniczny, który będzie dodatkowo doładowywał akumulatory w słoneczne dni.

System autonomiczny jest dosyć prosty i tani w budowie ma jednak poważne wady. Głównym problemem wydają się być akumulatory. Są to urządzenia drogie o niezbyt długiej żywotności (kilka, maksymalnie 5 lat). W przypadku całkowitego rozładowania (o co nietrudno w przypadku kilkudniowej bezwietrznej pogody) akumulatory ulegają stopniowemu zasiarczeniu, co dodatkowo skraca ich żywotność. W przypadku długo utrzymującej się korzystnej pogody powstaje nadwyżka energii, która nie mieści się w akumulatorach, w związku z czym jest bezpowrotnie tracona.

Sensowna w polskich warunkach wydaje się instalacja w której prąd wytworzony w turbinie wykorzysta się do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Jest to najtańsza i najprostsza forma wykorzystania energii wiatru. Zyskujemy:

• maksymalną sprawność – cała wyprowadzona moc zostanie zamieniona w ciepło,
• prostotę – wahania mocy czy częstotliwości nie mają większego znaczenia – grzałka nie jest wymagającym odbiornikiem

Jedna z najprostszych form wykorzystania energii wiatru - wspomaganie ogrzewania ciepłej wody użytkowej.

Pozostaje wykonanie bilansu ekonomicznego. Przykładowo na ogrzanie dobrze ocieplonego domu o powierzchni 120m rocznie potrzeba ok. 12 000 kWh (100 kWh rocznie ma 1m2). Przygotowanie ciepłej wody użytkowej dla 4 osobowej rodziny to dodatkowo 1600 kWh rocznie (źródło: mojaenergia.pl) W polskich warunkach szacuje się, że z turbiny o mocy 2 kW otrzymamy średnio 5 kWh dziennie – a więc niecałe 2000 kWh rocznie co stanowi 15% zapotrzebowania.

Praca na sieć sztywną. Na rynku dostępne są małe turbiny wyposażone w inwerter – urządzenie które reguluje napięcie i częstotliwość do poziomu umożliwiającego synchronizację elektrowni z siecią. Sieć spełnia w tym układzie rolę gigantycznego akumulatora, który zapewnia odbiór wyprodukowanej energii i pewność ciągłości zasilania w bezwietrzne dni. Aby przyłączyć do sieci urządzenie wytwórcze jakim jest wiatrak i zarabiać na wyprodukowanej energii należy podpisać stosowna umowę z lokalnym zakładem energetycznym. I tutaj zaczynają się schody i piętrzą dodatkowe koszty. Trzeba będzie wykonać odpowiednie przyłącze wiatraka do sieci z zaawansowaną automatyką dbającą o odpowiednie parametry energii produkowanej w elektrowni i umożliwiającą synchronizację z siecią. Nieuchronne jest też zderzenie z barierą biurokratyczną – niezbędna będzie koncesja na wytwarzanie energii, oraz zarejestrowanie działalności gospodarczej. Po podliczeniu dodatkowych kosztów szybko okazuje się przedsięwzięcie jest mocno nieopłacalne. Dlatego jasno trzeba sobie powiedzieć, że o dodatnim rachunku ekonomicznym możemy mówić przy turbinach o mocach zaczynających się od kilkuset kilowatów.

System hybrydowy - turbina wiatrowa wspomagana jest przez ogniwa fotowoltaiczne; kontroler dba o odpowiednie parametry jakościowe energii (napięcie, częstotliwość, ciągłość zasilania) i pozwala jej nadwyżkę oddawać do sieci.

Rozmiar ma znaczenie czyli test małych elektrowni

Low-tech magazine przeprowadził test małych turbin wiatrowych. W okresie marzec 2008 – marzec 2009 w Holandii zamontowano obok siebie 12 małych elektrowni. Średnia prędkość wiatru w tym okresie wyniosła 3,8 m/s – warunki wietrzne były więc porównywalne z występującymi w Polsce. Trzy wiatraki ze względu na awarię nie ukończyły testu – wyniki pozostałych w tabeli poniżej.

Małe elektrownie wiatrowe testowane przez Low-tech magazine

Test przeprowadzony w warunkach wietrznych podobnych jak w Polsce (średnia prędkość wiatru zawierająca się w granicach 2,5 – 4m/s) przyniósł dość przygnębiające wyniki. Okazało się że w przypadku małych turbin nie może być mowy o jakiejkolwiek opłacalności. Dość powiedzieć, że najlepszy obliczony czas zwrotu inwestycji (dla wiatraka SkyStream, przy założeniu że wyprodukowaną energię odkupi ZE w cenie 0,4zł/kWh ) wyniósł… 53 lata. Nad wynikami reszty urządzeń można litościwie opuścić zasłonę milczenia.

Czy zatem mała energetyka wiatrowa nie ma przyszłości? Niestety biorąc pod uwagę koszt zakupu elektrowni, bariery biurokratyczne i dosyć przeciętne warunki wiatrowe na większości obszaru kraju należy się spodziewać, że małe wiatraki jeszcze długo pozostaną domeną fascynatów i domorosłych konstruktorów.

Porównanie małych elektrownii wiatrowych - na podstawie danych z testu przeprowadzonego przez Low-tech magazine. Rezultaty testu odzierają ze złudzeń - nie ma mowy o żadniej rentowności. Produkcja energii w małych wiatrakach przy umiarkowanych warunkach wietrznych jest poprostu nieopłacalna. Kolejna ciekawa obserwacja - wielkość wyprodukowanej energii zależy w większym stopniu od średnicy śmigła niż mocy znamionowej podawanej przez producenta

Energia wiatrowa była najwcześniej, obok spalania drewna, eksploatowaną przez człowieka energią odnawialną. Pierwsze wiatraki były wykorzystywane przez ludzi do mielenia ziarna, oraz pompowania wody. Pierwszy opis użycia wiatraków do pompowania wody powstał około 400 r. p.n.e. w Indiach. W Chinach oraz krajach basenu Morza Śródziemnego wiatraki pojawiły się na początku naszej ery. Stosowano je głównie do przepompowywania wody (nawadnianie i osuszanie pół) oraz mielenia zboża. W VIII wieku w całej Europie pojawiły się wiatraki, w których wykorzystywano cztery skrzydła. Specjalistami w budowie tego typu wiatraków byli Holendrzy. Pod koniec XIX wieku rozwój maszyny parowej spowodował wyparcie napędu wiatrowego z wielu dziedzin życia gospodarczego.

Olbrzymią popularność wiatraki uzyskały w Holandii – w XIX wieku ich liczbę szacowano na 10 tys. Pełniły rolę młynów zbożowych, tartaków, oraz dawały napęd pompom odwadniającym.

Światowe zasoby energii wiatru, które nadają się do wykorzystania z technicznego punktu widzenia, to 53 tys. TWh/rok. Ta ilość energii jest 4 razy większa niż wynosiło globalne zużycie energii elektrycznej w 1998 roku.

Budowa elektrowni wiatrowej

Uproszczony schemat budowy typowej siłowni wiatrowej

Elektrownia wiatrowa składa się z wirnika i gondoli umieszczonych na wieży. Najważniejszą częścią elektrowni wiatrowej jest wirnik, w którym dokonuje się zamiana energii wiatru na energię mechaniczną. Osadzony jest on na wale, poprzez który napędzany jest generator. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością 15-20 obr/min, natomiast typowy generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min. W związku z tym niezbędne jest użycie skrzyni przekładniowej, w której dokonuje się zwiększenie prędkości obrotowej. Najczęściej spotyka się wirniki trójpłatowe, zbudowane z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem. W piaście wirnika umieszczony jest serwomechanizm pozwalający na ustawienie kąta nachylenia łopat (skoku). Gondola musi mieć możliwość obracania się o 360 stopni, aby zawsze można ustawić ją pod wiatr. W związku z tym na szczycie wieży zainstalowany jest silnik, który poprzez przekładnię zębatą może ją obracać. W elektrowniach małej mocy, gdzie masa gondoli jest stosunkowo mała, jej ustawienie pod wiatr zapewnia ster kierunkowy zintegrowany z gondolą. Pracą mechanizmu ustawienia łopat, i kierunkowania elektrowni zarządza układ mikroprocesorowy na podstawie danych wejściowych (np. prędkości i kierunku wiatru). Ponadto w gondoli znajdują się: transformator, łożyska, układy smarowania oraz hamulec zapewniający zatrzymanie wirnika w sytuacjach awaryjnych.

Elektrownia wiatrowa Vestas V80 (2 MW) 1) sterownik piasty 2) cylinder systemu sterowania łopatami 3) oś główna 4) chłodnica oleju 5) skrzynia przekładniowa 6) sterownik VIP z konwerterem 7) hamulec postojowy dźwig serwisowy 9) transformator 10) piasta wirnika 11) łożysko łopaty 12) łopata 13) układ blokowania wirnika 14) układ hydrauliczny 15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika 16) pierścień układu kierunkowania 17) rama 18) koła zębate układu kierunkowania 19) generator 20) chłodnica generatora.

Elektrownie wiatrowe wykorzystują moc wiatru w zakresie jego prędkości od 4 do 25 m/s. Przy prędkości wiatru mniejszej od 4 m/s moc wiatru jest niewielka, a przy prędkościach powyżej 25 m/s ze względów bezpieczeństwa elektrownia jest zatrzymywana.

Elektrownie wiatrowe a szczególnie ich skupisko wywierają znaczący wpływ na krajobraz. Nowoczesne siłownie wiatrowe to olbrzymie konstrukcje, których wysokość może przekraczać 100 metrów. Obracające się śmigła mogą wywoływać intrygujące wrażenie, nie wspominają o efektach świetlnych (efekt stroboskopowy). Nie powinno się ich lokalizować w parkach narodowych i terenach atrakcyjnych krajobrazowo. Powinny być lokalizowane z dala od zamieszkałych budynków, aby nie wpływały niekorzystnie na psychikę pobliskich mieszkańców.

Nowoczesna siłownia wiatrowa to konstrukcja o naprawdę imponujących rozmiarach. Przykładowo: wiatrak Vestas 2 MW posiada wirnik o średnicy 80m posadowiony na wieży o wysokości od 60m do 100m. Fot. Benn Faulkner

Lokalizacja

Wydajność siłowni wiatrowych w dużej mierze zależna jest od ich lokalizacji w terenie. Na wydajność siłowni zasadniczy wpływ ma ukształtowanie terenu (podłużne wzgórza, pojedyncze wzgórza i góry, skarpy zagłębienia, przełęcze), przeszkody (budynki, drzewa). Płaski obszar porośnięty trawą jest typowym przykładem terenu o jednolitej szorstkości. Na tym obszarze prędkość wiatru na wybranej wysokości jest prawie jednakowa. Przeszkody terenowe (budynki, rzędy drzew, pojedyncze drzewa), znajdujące się na drodze przesuwających się mas powietrza, powodują gwałtowne zmniejszenie prędkości wiatru i wzrost turbulencji w jej pobliżu.Zaburzenie w przepływie wywołane przeszkodą ma niezwykle negatywny wpływ na trwałość i żywotność konstrukcji elektrowni, aczkolwiek współczesne obiekty charakteryzują się wysoką niezawodnością i trwałością.

Zmienność wiatru w ujęciu przestrzennym to także uzależnienie od wysokości. Średnia prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością względem powierzchni ziemi. Im wyżej tym wiatr ma coraz bardziej stały charakter (mniejsze turbulencje spowodowane ukształtowaniem terenu). Z drugiej strony wraz ze wzrostem wysokości względem poziomu morza zmniejsza się gęstość powietrza a to oznacza mniejszą proporcjonalnie moc wiatru.

Budowa elektrowni wiatrowej wymaga dużej, otwartej przestrzeni. Stanowi to poważny problem szczególnie dla farm wiatrowych, w których muszą być zachowane odpowiednie odległości między samymi wiatrakami. Jednak obszar faktycznie zajmowany przez siłownie jest niewielki. Szacuje się, że 99 % gruntów leżących w strefie oddziaływania parku wiatrowego nadaję się użytku rolniczego, zarówno do uprawy ziemi jak i hodowli zwierząt, a dzierżawa gruntu pod elektrownie może być dodatkowym źródłem dochodu dla rolników. Znane są również przypadki lokalizacji elektrowni wiatrowych na wysokich hałdach (np. zwałowisk kopalnianych), co stanowi pewien sposób ich zagospodarowanie.

Morze wydaje się optymalną lokalizacją dla farm wiatrowych – zapewnia stałe wiatry o dużych prędkościach. Niestety koszty takiego rozwiązania znacznie przewyższają lokalizację lądową – droższe są fundamenty, podwodna linia kablowa wyprowadzająca moc, trudniejszy montaż. Na zdjęciu duńska farma Middelgrunden – 20 wiatraków po 2 MW. Największa morska farma wiatrowa Horns Rev (również duńska) składa się z 80 takich wiatraków – osiąga więc moc 160 MW.

W Polsce

Możliwości rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce są bardzo obiecujące, na co wskazują uzyskane wyniki badań prowadzonych w IMGW, na podstawie wieloletnich obserwacji kierunków i prędkości wiatru prowadzonych na profesjonalnej sieci meteorologicznej Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Uprzywilejowanymi w Polsce rejonami pod względem zasobów wiatru w mezoskali są następujące:

• środkowe, najbardziej wysunięte na północ części wybrzeża od Koszalina
  po Hel,
• rejon wyspy Wolin,
• Suwalszczyzna,
• środkowa Wielkopolska i Mazowsze,
• Beskid Śląski i Żywiecki,
• Bieszczady i Pogórze Dynowskie.

Strefy energetyczne wiatru w Polsce (źródło: IMGW).

Rozkład prędkości wiatru mocno zależy od lokalnych warunków topograficznych. Znane są liczne inne mikro-rejony kraju o korzystnych bądź doskonałych warunkach wiatrowych. Godne uwagi są również wysokie partie gór, gdzie średnie roczne prędkości wiatru miejscami przekraczają 10 m/s (grzbiet główny Karkonoszy). Jeżeli udałoby się pokonać problemy z dostępnością (słaba sieć dróg w górach), z podłączeniem do sieci elektroenergetycznej czy rozwiązać wątpliwości związane np. z ochroną krajobrazu, wówczas rejony te powinny doczekać się kompleksowej oceny zasobów wiatru i ich wykorzystania.