Toruñ 2014
Roman Buczkowski
Bart
ïomiej Igliñski
Marcin Cichosz
Technologie
Spis treĂci
Spis tre
Ăci
Sïowo wstÚpne ... 9
Wprowadzenie ... 11
1. Wiatr – powstawanie i rodzaje ... 23
1.1. Wiatr – definicja i mechanizm powstawania ... 23
1.2. Typy wiatrów ... 25
1.2.1. Pasaty ... 25
1.2.2. Monsuny ... 26
1.2.3. Bryza ... 27
1.2.4. Fen ... 29
1.2.5. Inne rodzaje wiatrów ... 30
1.3. Siïa wiatru. Skala Beauforta ... 31
Literatura ... 34
2. Typy elektrowni wiatrowych ... 37
2.1. Podziaï elektrowni wiatrowych ... 37
2.2. Pierwsze turbiny produkujÈce prÈd elektryczny ... 38
2.3. Wspóïczesne turbiny o poziomej osi obrotu ... 41
2.3.1. Budowa turbiny o poziomej osi obrotu ... 42
2.4. Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu ... 45
2.5. Turbiny wyposaĝone w dyfuzor ... 49
2.6. Inne rozwiÈzania konstrukcyjne turbin wiatrowych ... 50
2.7. PrzenoĂne turbiny wiatrowe ... 55
2.8. Wieĝa sïoneczna ... 58
2.9. Projekty turbin wiatrowych ... 59
2.10. Prognozy dla turbin wiatrowych ... 61
Literatura ... 62
Spis tre
Ăci
3. Podstawy aerodynamiki wiatraków ... 67
3.1. Zasoby energetyczne wiatru ... 67
3.2. Konstrukcja turbin wiatrowych a wyróĝnik szybkobieĝnoĂci ... 71
3.3. ProÞ le stosowane w konstrukcjach ïopat elektrowni wiatrowych ... 73
3.4. Podstawowe pojÚcia z aerodynamiki ... 78
3.4.1. Równanie ciÈgïoĂci ... 79
3.4.2. Prawo Bernoulliego ... 79
3.4.3. CiĂnienie spiÚtrzenia przed przeszkodÈ ... 81
3.4.4. Przepïywy potencjalne ... 83
3.4.5. Cyrkulacja i ruch wirowy ... 83
3.4.6. Zjawisko Magnusa ... 84
3.4.7. Przepïywy burzliwe i warstwa przyĂcienna ... 85
3.5. Ksztaït opïywowy ... 86
3.5.1. Czoïowe parcie wiatru ... 87
3.6. Nacisk wiatru na pïaszczyzny ustawione ukoĂnie ... 88
3.7. Nacisk wiatru na ciaïa o proÞ lach opïywowych ... 89
3.8. Wspóïczynniki aerodynamiczne ... 90
3.8.1. DoskonaïoĂÊ proÞ lu ... 93
3.9. Siïa noĂna wybranych proÞ li ... 95
3.9.1. Zagadnienie oporu indukcyjnego ... 97
Literatura ... 99
4. Aeroenergetyka w Polsce ... 105
4.1. Historia wiatraków w Polsce... 105
4.1.1. Wiatrak koělak – budowa i zasada dziaïania ... 107
4.1.2. Wiatrak wieĝowy – budowa i zasada dziaïania ... 112
4.1.3. Wiatrak paltrak – budowa i zasada dziaïania ... 113
4.1.4. Inne typy wiatraków drewnianych w Polsce ... 115
4.2. Wiatraki w kulturze i religii ... 116
4.3. Skanseny z wiatrakami... 118
4.4. Warunki wietrzne ... 121
4.5. Potencjaï aeroenergetyki ... 125
4.6. Aeroenergetyka w Polsce – stan obecny ... 130
4.6.1. Przemysï i zatrudnienie w polskiej aeroenergetyce ... 134
4.6.2. System wsparcia aeroenergetyki ... 136
Spis treĂci
4.8. Ocena oddziaïywania elektrowni wiatrowej na Ărodowisko ... 141
4.9. Montaĝ elektrowni wiatrowej ... 156
4.10. Scenariusze rozwoju aeroenergetyki ... 160
4.11. Aeroenergetyka w Polsce – badania ankietowe ... 162
Literatura ... 163
5. Aeroenergetyka na Ăwiecie ... 169
5.1. ¿eglarstwo ... 169
5.2. Historia aeroenergetyki na Ăwiecie ... 172
5.3. Wspóïczesne wykorzystanie energii wiatru na Ăwiecie ... 174
5.4. Rozwój aeroenergetyki morskiej ... 179
5.5. NajwiÚksze na Ăwiecie lÈdowe farmy wiatrowe ... 182
5.6. NajwiÚksze na Ăwiecie morskie farmy wiatrowe ... 187
Literatura ... 189
6. Oddziaïywanie elektrowni wiatrowych na Ărodowisko ... 195
6.1. Wpïyw elektrowni wiatrowych na czïowieka ... 195
6.2. Wpïyw elektrowni wiatrowych na zwierzÚta ... 198
6.2.1. Wpïyw elektrowni wiatrowych na ptaki ... 198
6.2.2. Wpïyw elektrowni wiatrowych na nietoperze ... 201
6.2.3. Wpïyw morskich elektrowni wiatrowych na ryby ... 202
6.2.4. Wpïyw elektrowni wiatrowych na inne zwierzÚta ... 202
6.3. Wpïyw elektrowni wiatrowych na krajobraz i mikroklimat ... 203
6.4. Czy warto rozwġ aÊ aeroenergetykÚ? ... 204
S
ïowo wstÚpne
P
rzekazujemy Pañstwu opracowanie monograficzne Technologieaeroenergetycz-ne, majÈc nadziejÚ, ĝe wzbudzi Pañstwa zainteresowanie. Naszym zamierzeniem
byïo zaprezentowanie stanu aktualnego i perspektyw rozwoju energetyki opartej na energii wiatru. Jest to zarazem kontynuacja naszych wczeĂniejszych opracowañ zwiÈzanych z tematykÈ energetyki odnawialnej zatytuïowanych: Technologie
bio-energetyczne, Technologie geoenergetyczne oraz Technologie helioenergetyczne.
Ogromna siïa wiatru zainspirowaïa naszych przodków do jej wykorzystania w celach gospodarczych. Niewielu z nas zdaje sobie sprawÚ, ĝe wielkie odkrycia geo-graficzne byïy moĝliwe dziÚki energii wiatru, która napÚdzaïa ĝaglowce. Pierwszy opis wiatraka do transportowania wody powstaï w Indiach 400 lat p.n.e., a 200 lat p.n.e. w Chinach stosowano wiatraki w ksztaïcie koïowrotów do nawadniania pól upraw-nych. NajwczeĂniejsze zachowane pisma urzÚdowe, mówiÈce o gospodarczym wykorzystaniu energii wiatru w Polsce, pochodzÈ z koñca XIII w. Pierwszym do-kumentem jest zezwolenie na budowÚ mïynów poruszanych wodÈ lub wiatrem, nadane klasztorowi w Biaïym Buku przez ksiÚcia Wiesïawa z Rugii. Intensywny rozwój mïynów wietrznych w Polsce nastÈpiï w XIX w. Koniec XIX w. to nowy roz-dziaï aeroenergetyki – wykorzystanie wiatraków do produkcji prÈdu elektrycznego. Obecnie obserwuje siÚ prawdziwy rozkwit aeroenergetyki na Ăwiecie.
Turbiny wiatrowe produkujÈ niemal darmowÈ energiÚ odnawialnÈ, nie przy-czyniajÈ siÚ do emisji gazów cieplarnianych, mogÈ pracowaÊ zarówno na lÈdzie, jak i na morzu. NiewïaĂciwie zaprojektowane i posadowione mogÈ jednak nega-tywnie oddziaïywaÊ na zdrowie czïowieka, Ărodowisko i krajobraz. Naleĝy wiÚc zbaeroenergetykÈ postÚpowaÊ zgodnie z zasadami zrównowaĝonego rozwoju.
W naszej ocenie opublikowany materiaï w przewaĝajÈcym stopniu ma cha-rakter faktograficzny, a przytoczone rozwiÈzania proekologiczne z caïÈ pewnoĂciÈ wymagajÈ peïniejszej analizy technicznej. LiczÈc zatem na ĝyczliwe przyjÚcie prze-kazanego Pañstwu opracowania, wyraĝamy peïne przekonanie, iĝ kolejna edycja monografii poĂwiÚconej aeroenergetyce pozwoli nam zamieĂciÊ przykïady wdra-ĝanych technologii proekologicznych w tym obszarze.
Wprowadzenie
C
zïowiek od dawna wykorzystuje energiÚ do celów gospodarczych. PoczÈtkowo byïa to energia odnawialna, oparta na biomasie, energii Sïoñca, geotermii czy wietrze. Rewolucja przemysïowa i promocja paliw kopalnych sprawiïy, ĝe to wÚgiel i ropa naftowa sÈ obecnie najwaĝniejszymi ěródïami energii w wiÚkszoĂci krajów na Ăwiecie. Do lat 70. XX w. paliwa kopalne byïy tanie, obecnie ich ceny rosnÈ w szybkim tempie, dïawiÈc gospodarkÚ wielu pañstw.Ostatnie lata to powrót energetyki do ěródeï odnawialnych. Na caïym Ăwiecie buduje siÚ biogazownie rolnicze, elektrownie: wodne, sïoneczne i wiatrowe czy elektrociepïownie geotermalne. Wbrew obiegowym opiniom to nie chÚÊ ochrony Ărodowiska (aczkolwiek bardzo waĝna), ale zmniejszajÈce siÚ zasoby paliw kopal-nych i przede wszystkim ich coraz wyĝsza cena sÈ gïównym motorem powrotu Ăwiatowej energetyki do ěródeï odnawialnych.
Rozwój energetyki odnawialnej ma ogromne znaczenie dla realizacji polityki energetycznej Polski do 2030 r. [1]. ZwiÚkszenie wykorzystania tych ěródeï niesie za sobÈ wiÚkszy stopieñ uniezaleĝnienia siÚ od dostaw z importu. Promowanie wykorzystania OZE pozwala na zwielokrotnienie stopnia dywersyfikacji ěródeï dostaw oraz na stworzenie warunków do rozwoju energetyki rozproszonej, opartej na lokalnie dostÚpnych surowcach. Energetyka odnawialna to zwykle niewielkie jednostki wytwórcze, zlokalizowane blisko odbiorcy, co pozwala na podniesie-nie lokalnego bezpieczeñstwa energetycznego i zmniejszenie strat przesyïowych. Wytwarzanie energii ze ěródeï odnawialnych cechuje siÚ niewielkÈ lub zerowÈ emisjÈ zanieczyszczeñ, co zapewnia pozytywne efekty ekologiczne. Rozwój energe-tyki odnawialnej przyczynia siÚ równieĝ do rozwoju sïabiej rozwiniÚtych regionów (Polska wschodnia i póïnocna) bogatych w zasoby energii odnawialnej.
Technologie geoenergetyczne obejmujÈ technologie zwiÈzane z pozyskiwaniem i wykorzystaniem energii z wnÚtrza Ziemi [2]. Energia geotermiczna jest
wewnÚtrz-Wprowadzenie
nym ciepïem Ziemi zgromadzonym w magmie, skaïach i pïynach (woda, para wodna, ropa naftowa itp.); energia geotermalna obejmuje natomiast czÚĂÊ energii geotermicznej zawartej w wodzie, parze wodnej oraz gorÈcych suchych skaïach. Od wielu lat stosuje siÚ bezpoĂrednie wykorzystanie energii geotermalnej: baseny i kÈpieliska z wodÈ geotermalnÈ, ogrzewanie budynków mieszkalnych, stawów hodowlanych i szklarni, suszenie pïodów rolnych, topnienie Ăniegu itp. Od po-nad 100 lat nowy rozdziaï technologii geoenergetycznych to wytwarzanie prÈdu elektrycznego w elektrowniach geotermalnych.
Polska naleĝy do krajów posiadajÈcych bogate zïoĝa wód geotermalnych o ni-skiej i Ăredniej entalpii. 80% kraju ma dobre warunki do pozyskiwania ciepïa geotermalnego na cele grzewcze, rekreacyjne i balneologiczne. Obecnie w Pol-sce dziaïa 6 ciepïowni geotermalnych w: Pyrzycach, Stargardzie Szczeciñskim, Uniejowie, Mszczonowie i Bañskiej Niĝnej. Pierwszym zakïadem, który rozpoczÈï dziaïalnoĂÊ w Polsce, byïa Geotermia Podhalañska. ½ródïem ciepïa dla PEC Geo-termii Podhalañskiej sÈ wody termalne wydobywane z wapieni i dolomitów triasu Ărodkowego oraz eocenu numulitowego. Wody te sÈ ujmowane dwoma otworami produkcyjnymi: Bañska IG-1 (il. 1) i Bañska PGP-1 oraz zatïaczane dwoma otwo-rami chïonnymi: Biaïy Dunajec PAN-1 i Biaïy Dunajec PGP. Zatwierdzone zasoby eksploatacyjne dla otworu Bañska PGP-1 to 550 m3/h, dla otworu Bañska IG-1
120 m3/h, natomiast zasoby dyspozycyjne to 23 600 m3/dobÚ. Temperatura wód
na wypïywie osiÈga temperaturÚ 82–87°C, a ciĂnienie na gïowicy ma wartoĂÊ 2,7 MPa, mineralizacja wód nie przekracza 3 g/dm3 [2–4].
Wody geotermalne wykorzystuje siÚ w Polsce do celów baleontologicznych juĝ od kilku wieków, w ostatnich latach silnie rozwija siÚ „przemysï” rekreacyjny wy-korzystujÈcy ciepïe wody w „termach”. Status leczniczej wody termalnej nadaje siÚ wodzie podziemnej wykazujÈcej na wypïywie temperaturÚ co najmniej 20ºC [5]. WĂród ogóïu wód termalnych rozpoznanych dotÈd w Polsce dominujÈ wody chlor-kowo-sodowe, jodkowe, ĝelaziste o mineralizacji powyĝej 1,5%. WystÚpujÈ one w województwach: ïódzkim, lubelskim, podlaskim, kujawsko-pomorskim, wiel-kopolskim, lubuskim, maïopolskim i mazowieckim. Znacznie rzadsze sÈ wody chlorkowo-wodorowÚglanowo-sodowe, jodkowe rozpoznane w województwie ïódz-kim i mazowiecïódz-kim [5]. SpoĂród 44 uzdrowisk w Polsce 6 posiada wody termalne i stosuje je do kuracji [2].
Obecnie energia geotermalna na Ăwiecie wykorzystywana jest w 73 krajach, w 71 krajach jest to bezpoĂrednie wykorzystanie (ogrzewanie, suszenie, balne-ologiabitp.), a w 24 krajach równieĝ do produkcji prÈdu elektrycznego. Jeszcze w 1960br. elektrownie geotermalne pracowaïy zaledwie w 5 krajach (Wïochy, Islan-dia, Nowa ZelanIslan-dia, Kenia, Japonia), w 2005 r. juĝ w 24 krajach Ăwiata. NajwiÚk-szy udziaï mocy majÈ USA (3086 MW) i Filipiny (1904 MW) [2].
Wprowadzenie
Technologie helioenergetyczne obejmujÈ technologie zwiÈzane z pozyskiwa-niem i wykorzystapozyskiwa-niem energii Sïoñca [6]. Pasywne (bierne) pozyskiwanie ciepïa polega na zamianie energii promieniowania sïonecznego na ciepïo, opartej na zjawiskach znanych w fizyce budowli. W tym celu wykorzystuje siÚ tradycyjne lub nowe struktury budynku; przepïyw uzyskanej energii zachodzi w sposób naturalny z dopuszczeniem elementów regulujÈcych komfort cieplny. W systemach biernych funkcjÚ „kolektorów” peïniÈ przeszklenia, elementy bÈdě caïe domy. Przez prze-szklenia promieniowanie sïoneczne wnika do wnÚtrza w formie fal widzialnych i podczerwonych, w znikomej iloĂci ultrafioletowych i trafia na specjalnie do tego celu przystosowane elementy pochïaniajÈce. MogÈ to byÊ Ăciany wewnÚtrzne, po-sadzki, stropy itp. Elementy pochïaniajÈce, nagrzewajÈc siÚ, emitujÈ dïugofalowe promieniowanie cieplne, które ogrzewa pomieszczenia. Opisane zjawisko nazywa siÚ „efektem szklarniowym”, który razem z ruchami konwekcyjnymi powietrza, przenikaniem i przewodzeniem, jest podstawÈ dziaïania biernych systemów sïo-necznych [7–9].
Aktywne systemy ogrzewania pozwalajÈ wykorzystywaÊ ciepïo sïoneczne do ogrzewania (kolektory niskotemperaturowe) i do produkcji ciepïa bÈdě prÈdu
(kolektory Ărednio- i wysokotemperaturowe). Kolektory sïoneczne stanowiÈ obec-nie najczÚĂciej uĝywanÈ grupÚ urzÈdzeñ pozwalajÈcych na wykorzystanie promie-niowania sïonecznego [10].
Kolektory skupiajÈce (Ărednio- i wysokotemperaturowe) dziÚki zastosowa-niu ukïadu luster skupiajÈ energiÚ promieniowania punktowo lub liniowo, co umoĝliwia wiÚkszÈ koncentracjÚ energii na absorberze, a co za tym idzie wyĝszÈ temperaturÚ czynnika roboczego (100–300ºC). Stosuje siÚ je w procesach tech-nologicznych, w których potrzebny jest pïyn o wysokiej temperaturze. Znalazïy zastosowanie w elektrowniach heliotermicznych lub do przetapiania metali w wiel-kich piecach sïonecznych, gdzie promienie sïoneczne skupione w jednym miejscu osiÈgajÈ temperaturÚ nawet 3000ºC [6, 11].
W wieĝowych elektrowniach sïonecznych promieniowanie skupiane jest na szczycie specjalnie zbudowanej wieĝy przez zestaw indywidualnych, podÈĝajÈcych za sïoñcem luster (tzw. heliostatów) (il. 2). W tej technologii absorber znajdujÈcy siÚ na szczycie wieĝy osiÈga temperaturÚ powyĝej 1000°C i przekazuje ciepïo no-Ănikowi energii, który napÚdza turbiny [12].
Il. 2. Zasada dziaïania wieĝowej elektrowni sïonecznej
W Polsce praktycznie na kaĝdym kroku spotykamy kolektory sïoneczne. Insta-lowane sÈ najczÚĂciej na dachach domów, na basenach, na budynkach szpitalnych, na urzÚdach, koĂcioïach itp. W przeciwieñstwie do kolektorów sïonecznych, foto-woltaika praktycznie nie rozwija siÚ w Polsce. Na koniec roku 2013 [13] dziaïaïo zaledwie 14 maïych instalacji fotowoltaicznych o ïÈcznej mocy 1,75 MW.
Wprowadzenie
Na caïym Ăwiecie kolektory sïoneczne sÈ bardzo popularne jako gïówne lub uzupeïniajÈce ěródïo ciepïa. Pod koniec 2011 r. w 56 krajach Ăwiata sumaryczna moc kolektorów sïonecznych osiÈgnÚïa wartoĂÊ 235 GW. Zdecydowana wiÚkszoĂÊ kolektorów pracuje w Chinach: 152 GW i w Europie: 39 GW [14]. Energetyka sïoneczna, przede wszystkim fotowoltaika jest najszybciej rozwijajÈcÈ siÚ gaïÚziÈ przemysïu na Ăwiecie, niezaleĝnie od kryzysu Ăwiatowego. W ciÈgu 7 lat moc wyprodukowanych ogniw fotowoltaicznych wzrosïa 15-krotnie (il. 3). Przewiduje siÚ, ĝe w 2014 r. bÚdzie to znaczÈcy wzrost, podobny do wzrostu w 2010 r. [15]. Globalne inwestycje w energiÚ sïonecznÈ w 2012 r. wyniosïy 140 mld dolarów. NajwiÚkszym producentem ogniw sÈ Chiny i Tajwan. W Europie znaczÈcym pro-ducentem (i odbiorcÈ) sÈ Niemcy.
Il. 3. Moc [GW] wyprodukowanych ogniw sïonecznych na Ăwiecie w latach 2005–2012 [7]
Technologie hydroenergetyczne obejmujÈ technologie zwiÈzane z pozyskiwa-niem i wykorzystapozyskiwa-niem energii wody (rzek, fal i pïywów). Na ziemiach polskich juĝ w XI w. mïyny wodne byïy czÚstym widokiem. Koïa wodne poza mïynarstwem znajdowaïy stopniowo zastosowanie m.in. w tartakach, garbarniach i olejarniach, a takĝe w innych gaïÚziach przemysïu. W dokumentach, jakie przechowaïy siÚ z XI i XII w., opisy mïynów sÈ czÚsto spotykane. Nowym rozdziaïem wykorzysta-nia siïy wody byïo wprowadzenie w XIX w. turbin wodnych i generatorów przy-stosowanych do wytwarzania prÈdu elektrycznego. PierwszÈ elektrowniÚ wodnÈ uruchomiono w 1882 r. na rzece Fox River w Appleton (USA) [16].
Obecnie elektrownie wodne sÈ najintensywniej wykorzystywanym ěródïem odnawialnej energii. W 2012 r. dostarczyïy ïÈcznie 3673 TWh energii elektrycznej, co stanowi 16% caïkowitej produkcji energii elektrycznej na Ăwiecie. NajwiÚksze elektrownie wodne majÈ moc przekraczajÈcÈ 10 GW. Norwegia, Demokratyczna Republika Konga, Paragwaj i Brazylia uzyskujÈ ponad 75% swojej energii elektrycz-nej z elektrowni wodnych [17]. Elektrownie wodne sÈ stosunkowo tanim ěródïem energii i mogÈ szybko zmieniaÊ generowanÈ moc w zaleĝnoĂci od zapotrzebowania. Ich wadÈ jest ograniczona liczba lokalizacji, w których moĝna je budowaÊ. Ponadto budowa zapór dla elektrowni wodnych pociÈga za sobÈ zahamowanie naturalnego biegu rzeki i tworzenie zbiorników retencyjnych, zmieniajÈcych Ărodowisko. Wad duĝej energetyki wodnej nie ma maïa energetyka wodna (MEW). Maïe elektrownie wodne wpïywajÈ korzystnie na poziom wód gruntowych i retencjÚ wód, uspokajajÈ nurt rzeki i zatrzymujÈ zjawiska erozji dennej i bocznej. Wyposaĝone w odpowied-nie urzÈdzenia ochrony ryb nie powodujÈ szkód dla Ărodowiska [18].
Technologie bioenergetyczne obejmujÈ technologie zwiÈzane z pozyskiwa-niem i wykorzystapozyskiwa-niem energii i paliw z biomasy [19]. Biomasa jest najmniej kapitaïochïonnym, odnawialnym ěródïem energii. Jej produkcja moĝe praktycznie przebiegaÊ samoistnie, np. w puszczach, na stepach i ïÈkach, a takĝe w oceanach i w zbiornikach wody sïodkiej. BiomasÚ najczÚĂciej dzieli siÚ ze wzglÚdu na stan skupienia. Staïa biomasa to m.in. drewno, biomasa roĂlin energetycznych, staïe odpady roĂlinne, zwierzÚce, staïa frakcja biodegradowalna odpadów komunal-nych. Biopaliwa ciekïe to przede wszystkim oleje roĂlinne, alkohole i etery, które mogÈ byÊ wykorzystane jako dodatek bÈdě samoistne paliwo. Biogaz, pozyskany z biomasy staïej i ciekïej, znajduje zastosowanie jako paliwo bÈdě jest spalany i w kogeneracji produkowany jest prÈd elektryczny i ciepïo [19].
Polska posiada duĝe zasoby biomasy, mówi siÚ, ĝe mogïaby staÊ siÚ „zielonym Kuwejtem Europy”. NajwiÚksze moĝliwoĂci produkcji energii daje sïoma zbóĝ i rzepaku, odpady z przemysïu rolno-spoĝywczego i odpady drewna leĂnego [20]. Znaczne iloĂci odpadów drzewnych powstajÈ podczas wycinki i trzebieĝy lasów. PrzyjmujÈc, ĝe 15% pozyskiwanego drewna to drewno odpadowe (czÚĂÊ kory, drob-nicy gaïÚziowej, odpadów kawaïkowych powstajÈcych podczas wycinki), wówczas rocznie w Polsce moĝna zagospodarowaÊ na cele energetyczne okoïo 2 tys. m3
drewna. 85% energii odnawialnej pochodzi ze spalania bÈdě wspóïspalania bioma-sy staïej. Na cele energetyczne wykorzystuje siÚ odpadowÈ biomasÚ leĂnÈ i rolniczÈ. Nadwyĝki sïomy zboĝowej to okoïo 11 mln Mg.
Wykorzystanie drewna na cele opaïowe ma w Polsce dïugÈ tradycjÚ, zwïaszcza jeĂli chodzi o spalanie drewna w indywidualnych kotïowniach o maïej mocy. LiczbÚ gospodarstw indywidualnych wyposaĝonych w kotïy na drewno ïadowane rÚcznie szacuje siÚ na okoïo 100 tys., przy czym ich moc jest rzÚdu kilku kW. NajwiÚksze
Wprowadzenie
ciepïownie na biomasÚ znajdujÈ siÚ w okolicach Szczecinka, w Barlinku, Brodnicy, MorÈgu, Hajnówce i Piszu. Pierwsza kotïownia na sïomÚ zostaïa uruchomiona w 1996 r., obecnie dziaïa ich kilkadziesiÈt [21].
Od 2–3 lat Polska jest Ăwiatowym liderem, jeĂli chodzi o wspóïspalanie bio-masy z wÚglem (il. 4). W 2012 r. w Elektrowni Szczecin (Zespóï Elektrowni Dol-na Odra SA) oddano do eksploatacji Dol-najwiÚkszy wbPolsce ibjeden zbnajwiÚkszych wbEuropie kocioï fluidalny opalany biomasÈ, o parametrach technologicznych pary: 230 t/h, 535 °C, 70 bar. Produkcja „zielonej” energii elektrycznej to okoïo 440 GWh/rok, a produkcja ciepïa stanowi 1,9 TJ/rok [22].
Il. 4. Elektrownie i elektrociepïownie\wspóïspalajÈce biomasÚ z wÚglem (opracowanie wïasne)
SpoĂród roĂlin oleistych uprawianych w Polsce do celów spoĝywczych i moto-ryzacyjnych zdecydowane pierwsze miejsce zajmuje rzepak. W 2012 r. wyproduko-wano 553 tys. Mg estrów metylowych i 158 tys. Mg bioetanolu. Èczna zdolnoĂÊ produkcyjna zakïadów odwadniajÈcych etanol w Polsce wynosi 700 mln dm3.
Obecnie najwiÚksze zakïady wytwarzajÈce bioetanol znajdujÈ siÚ w Starogardzie Gdañskim, Obornikach i Wrocïawiu. Z kolei najwiÚkszym producentem biodie-sla jest Rafineria Trzebinia SA, wytwórnie w miejscowoĂci Surochów, w Tychach i Malborku [21, 22].
W ostatnich latach dobrze rozwija siÚ technologia biogazowa – wg stanu na gru-dzieñ 2013 r. – w Polsce pracuje 231 biogazowni o ïÈcznej mocy 162 MWe. Od bpo-ïowy lat 90. ubiegïego wieku biogazownie funkcjonowaïy przy oczyszczalniach Ăcieków i na skïadowiskach odpadów. W latach 2008–2013 powstaïy 42 bioga-zownie rolnicze [13]. Polska jako kraj rolniczy posiada ogromny potencjaï biogazu. W Ărednich i duĝych oczyszczalniach Ăcieków opïacalne jest pozyskiwanie biogazu z osadów Ăciekowych – jego potencjaï techniczny wynosi okoïo 25 mln m3. IloĂÊ
odpadów komunalnych powstajÈcych w gospodarstwach domowych i obiektach uĝytecznoĂci publicznej wynosi okoïo 12 Tg, z czego ponad poïowa to odpady ule-gajÈce biodegradacji. ZakïadajÈc, ĝe potencjaï techniczny stanowi 15% potencjaïu teoretycznego, iloĂÊ biogazu moĝliwa do pozyskania z odpadów komunalnych wyno-si okoïo 80 mln m3. Polska posiada szerokÈ gamÚ substratów do produkcji biogazu
rolniczego: odchody zwierzÚce, odpady rolnicze czy odpady spoĝywcze. W Polsce hoduje siÚ 5,7 mln sztuk bydïa, 15,2 mln Ăwiñ, 155 mln kur [23]. Zagospodaro-wanie gnojowicy pozwoliïoby pozyskaÊ okoïo 1800 mln m3 biogazu.
NajwiÚkszy udziaï w Ăwiatowej produkcji energii ma energetyka wodna – jak juĝ wspomniano, dostarcza 16% energii elektrycznej. Moc elektrowni wodnych zwiÚksza siÚ nieznacznie, a najwiÚkszy wzrost mocy obserwuje siÚ w przypadku aeroenergetyki (il. 5) [24].
Wprowadzenie
W niniejszej monografii pragniemy Pañstwu przybliĝyÊ technologie aeroener-getyczne, czyli zwiÈzane z pozyskiwaniem i wykorzystaniem energii wiatru. Nie tylko na Ăwiecie, ale równieĝ w Polsce w ostatnich latach rozwija siÚ ona bardzo dobrze. Z kaĝdym rokiem przybywa siïowni wiatrowych, planowane sÈ morskie farmy wiatrowe. Mimo wszystko turbiny wiatrowe to nadal coĂ nowego, pojawiajÈ siÚ wiÚc obawy o ich oddziaïywanie na zdrowie czïowieka, Ărodowisko i krajobraz. ZachÚcamy wiÚc do lektury.
JeĂli jesteĂcie Pañstwo zainteresowani tematykÈ energetyki odnawialnej, za-chÚcamy do przeczytania naszych wczeĂniejszych monografii: Technologie
geo-energetyczne [2], Technologie heliogeo-energetyczne [6] oraz Technologie bioenerge-tyczne [19].
Literatura
[1] Rada Ministrów, Polityka energetyczna Polski do 2030 r., Warszawa 2009.
[2] B. Igliñski, R. Buczkowski, M. Cichosz, G. Piechota, Technologie geoenergetyczne, WN UMK, Toruñ 2010.
[3] W. Wartak, A. Wróbel, W. Ignacok, PEC Geotermia Podhalañska SA – Ciepïow-niczy Zakïad Geotermalny na Podhalu: DoĂwiadczenia, wybrane aspekty pracy, perspektywy, „Technika Poszukiwañ Geologicznych” 27 (2), 2007, s. 125–131. [4] C. ¥limak, W. Wartak, PEC Geotermia Podhalañska S.A. doĂwiadczenia, stan
obec-ny, perspektywy rozwoju, „Technika Poszukiwañ Geologicznych” 28 (2), 2009,
s. 123–132.
[5] T. Latour, Aktualny stan i dalsze moĝliwoĂci wykorzystania w Polsce wód termal-nych do celów leczniczych, profilaktycztermal-nych oraz rekreacji, „Technika Poszukiwañ Geologicznych” 46 (2), 2007, s. 63–67.
[6] B. Igliñski, R. Buczkowski, M. Cichosz, G. Ojczyk, M. Plaskacz-Dziuba, G. Pie-chota, Technologie helioenergetyczne, WN UMK, Toruñ 2013.
[7] M. A. Woïoszyn, Wykorzystanie energii sïonecznej w budownictwie
jednorodzin-nym, Centralny OĂrodek Informacji Budownictwa, Warszawa 1991.
[8] R. Piotrowski, P. Dominiak, Budowa domu pasywnego krok po kroku, „Przewodnik Budowlany”, Warszawa 2012.
[9] R. Wnuk, Budowa domu pasywnego w praktyce, „Przewodnik Budowlany”, War-szawa 2012.
[10] J. Dobriañski, Wymiana ciepïa w instalacjach sïonecznych z pïaskimi kolektorami, Wyd. UWM w Olsztynie, Olsztyn 2009.
[11] M. S. Jamel, A. A. Rahman, A. H. Shamsuddin, Advances in the integration of solar
thermal energy with conventional and non-conventional power plants, “Renewable
[12] S. Alexopoulos, B. Hoffschmidt, Solar tower power plant in Germany and future
perspectives of the development of the technology in Greece and Cyprus,
“Rene-wable Energy” 35, 2010, s. 1352–1356.
[13] URE, Mapa Odnawialnych ½ródeï Energii, http://www.ure.gov.pl/uremapoze/mapa. htm (wejĂcie 03.02.2014).
[14] F. Mauthner, W. Weiss, Solar heat worldwide. Markets and contribution to the
energy supply 2011. Edition 2013, IEA Solar Heating&Cooling Programme, may
2013.
[15] European Commission, PV Status Report 2013, Publications Office of the European Union, Luxemburg 2013.
[16] J. Liu et al., Sustainability in hydropower development – A case study, “Renewable and Sustainable Energy Reviews” 19, 2013, s. 230–237.
[17] Statistical Review of World Energy, http://www.bp.com/en/global/corporate/about--bp/energy-economics/statistical-review-of-world-energy (wejĂcie 08.02.2014). [18] M. S. Rudnicki, Odtwarzanie maïych elektrowni wodnych, Oficyna Wydawnicza
OKP Zachodniopomorskie Centrum Edukacyjne, Szczecin 2003.
[19] B. Igliñski, R. Buczkowski, M. Cichosz, Technologie bioenergetyczne, WN UMK, Toruñ 2009.
[20] Pigan M, Raport o stanie lasów w Polsce 2009, Centrum Informacyjne Lasów Pañstwowych, Warszawa 2010.
[21] B. Igliñski, A. Igliñska, W. Kujawski, R. Buczkowski, M. Cichosz, Bioenergy in
Poland, “Renewable and Sustainable Energy Reviews” 15 (6), 2011, s. 2099–3007.
[22] R. Buczkowski, B. Igliñski, M. Cichosz, G. Ojczyk, M. Stañczak, G. Piechota,
Biomasa w energetyce, WN UMK, Toruñ 2012.
[23] Rocznik statystyczny rolnictwa 2012, Gïówny UrzÈd Statystyczny, Warszawa 2012. [24] Renewables Global Futures Report, http://www.ren21.net (wejĂcie 10.03.2014).
1. Wiatr – powstawanie i rodzaje
O
pisujÈc technologie aeroenergetyczne, bez wÈtpienia trzeba zwróciÊ uwagÚ na ěródïo energii odnawialnej, czyli wiatr. Wiatr towarzyszy nam w ĝyciu codzien-nym – czasem niesie duĝe zniszczenia, czasem jest wyglÈdany ze zniecierpliwie-niem. Polskie miasta w bezwietrzne dni spowijane sÈ niebezpiecznym smogiem, powstajÈcym podczas spalania paliw konwencjonalnych. A czy zastanawialiĂcie siÚ Pañstwo, skÈd siÚ bierze wiatr? Takie pytanie czÚsto zadajemy studentom, wiÚkszoĂÊ z nich nie potrafi odpowiedzieÊ na to pytanie.1.1. Wiatr – deÞ nicja i mechanizm powstawania
Wiatr definiuje siÚ jako poziomy ruch mas powietrza, który przemieszcza siÚ od wyĝu do niĝu. Promienie sïoneczne ogrzewajÈ pewien obszar Ziemi bardziej niĝ sÈsiednie. Przyczyn tego zjawiska jest wiele, np. ciemniejszy kolor gleby i wody powoduje inne pochïanianie ciepïa. Powietrze znajdujÈce siÚ nad ciemnym pod-ïoĝem zaczyna siÚ nagrzewaÊ, czyli rozszerza siÚ. Masa tego powietrza bÚdzie siÚ rozprzestrzeniaÊ w kierunku niĝszego ciĂnienia, wiÚc ku górze. WypiÚtrzanie sïupa powietrza powoduje jego przepïyw górÈ nad sÈsiednie obszary (il. 1), gdzie nastÚ-puje wzrost ciĂnienia (powstaje wyĝ). Z kolei nad obszarem nagrzanym ksztaïtuje siÚ niĝ. Róĝnica ciĂnieñ wywoïuje wiatr [1, 2].
W praktyce rozkïad ciĂnienia na danym obszarze moĝe przybieraÊ bardzo róĝne i skomplikowane formy. Na ilustracji 2 liniami ciÈgïymi zaznaczono przy-kïadowy przebieg izobar, czyli linii ïÈczÈcych punkty o jednakowym ciĂnieniu (podanym w hektopaskalach) i ukïadów barycznych. Izobary majÈ ksztaïty zbli-ĝone do okrÚgów, elips i linii prostych, wyĝe sÈ zwykle bardziej rozlegïe od niĝów i charakteryzujÈ siÚ mniejszym gradientem ciĂnienia, czyli mniejszÈ zmianÈ ci-Ănienia wraz z odlegïoĂciÈ.
Il. 2. Typowe ukïady baryczne [1]
Dwa wyĝe wystÚpujÈce obok siebie zwykle oddzielone sÈ zatokÈ niskiego ci-Ănienia (niĝowÈ), a dwa inne – klinem wysokiego cici-Ănienia. Obszar rozciÈgajÈcy siÚ miÚdzy dwoma niĝami i dwoma wyĝami jest okreĂlany jako siodïo [1].
Zazwyczaj kierunek ruchu powietrza jest równolegïy do powierzchni Ziemi, chociaĝ w zaleĝnoĂci od uksztaïtowania terenu moĝe przebiegaÊ np. z góry w dóï.
Il. 1. Mechanizm powstawania oĂrodków niskiego i wysokiego ciĂnienia oraz zwiÈzanych z nimi wiatrów [1]
1.2. Typy wiatrów
W Ărednich szerokoĂciach geograficznych, ze wzglÚdu na siïÚ Coriolisa, wiatr wie-je zazwyczaj równolegle do linii takiego samego ciĂnienia (wiatr geostroficzny). Nabpodstawie wieloletnich badañ stwierdzono, ĝe prÚdkoĂÊ i kierunek wiatru ce-chujÈ charakterystyczne zmiany zarówno w ciÈgu doby, jak i caïego roku. Zazwyczaj w nocy prÚdkoĂÊ wiatru jest mniejsza, rano wzrasta i osiÈga maksymalne wartoĂci w godzinach popoïudniowych [3]. W Polsce roczny rozkïad prÚdkoĂci wiatru zwiÈ-zany jest z porami roku; zwykle najsilniejszy wiatr wieje w okresie jesienno-zimo-wym i wiosennym, w okresie letnim zaĂ jego prÚdkoĂÊ znacznie spada.
Do pomiarów wiatru sïuĝy anemometr (wiatromierz). SiïÚ wiatru moĝna teĝ mierzyÊ za pomocÈ: technik satelitarnych (teledetekcja), skaterometrów wykorzy-stujÈcych zjawisko fal kapilarnych na wodzie (refleks sïoñca), teledetekcyjnych metod akustycznych sodar, obserwacji poruszajÈcych siÚ chmur, radaru, sond me-teorologicznych i innych technik [4].
Geograficzny kierunek wiatru to kierunek, z którego wieje wiatr. Przykïadowo NW oznacza wiatr wiejÈcy z póïnocnego zachodu. Na mapach pogody zaĂ kierunek wiatru wskazujÈ groty strzaïek, a liczba i dïugoĂÊ kresek tworzÈcych beït strzaïy odpowiada sile wiatru, zgodnie z zasadÈ podanÈ w legendzie mapy [4].
1.2. Typy wiatrów
1.2.1. PasatyPasaty to staïe ciepïe wiatry o umiarkowanej sile (3–4°B), wiejÈce w strefie miÚ-dzyzwrotnikowej miÚdzy 35° szerokoĂci póïnocnej i 35° szerokoĂci poïudniowej (wykorzystywane przez ĝaglowce). Na póïkuli póïnocnej pasaty wiejÈ z kierunku NE, a na poïudniowej z SE (zgodnie z dziaïaniem siïy Coriolisa, powodujÈcej odchylenie kierunku ruchu ciaï poruszajÈcych siÚ prosto, na póïkuli póïnocnej w prawo, a na poïudniowej – w lewo) [5, 6].
Pasaty biorÈ swój poczÈtek w MiÚdzyzwrotnikowej Strefie ZbieĝnoĂci. Po-wierzchnia Ziemi w strefie równikowej intensywnie siÚ nagrzewa. Ogrzane wil-gotne powietrze, zwiÚkszajÈc swojÈ objÚtoĂÊ, unosi siÚ, a jego ciĂnienie przy po-wierzchni spada i tworzy siÚ niĝ baryczny. Para wodna zawarta w tym powietrzu ulega kondensacji i daje poczÈtek codziennym opadom nad równikiem, zwanym deszczami zenitalnymi. Powietrze zawierajÈce juĝ niewiele wilgoci unosi siÚ wyĝej i ochïadza, a nastÚpnie odpïywa w kierunku biegunów, odchylajÈc swój kierunek ruchu w wyniku dziaïania siïy Coriolisa na NW na póïkuli póïnocnej i SW na póïkuli poïudniowej – sÈ to antypasaty. Suche i chïodne powietrze opada nad zwrotnikami, dajÈc poczÈtek wyĝom zwrotnikowym. OpadajÈc, ociepla siÚ adia-batycznie – stÈd w strefie zwrotnikowej znajdujÈ siÚ caïoroczne oĂrodki
antycyklo-nalne (wyĝowe), warunkujÈce niemal bezchmurnÈ, suchÈ, gorÈcÈ pogodÚ z bardzo niewielkimi opadami. To ciepïe i suche powietrze znad zwrotników zaczyna siÚ przemieszczaÊ ku równikowi, poniewaĝ obszar ten ma wyĝsze ciĂnienie atmosfe-ryczne niĝ strefa równikowa [5, 6].
Jak juĝ wspomniano, antypasaty to umiarkowanie ciepïe, staïe prÈdy powietrza o kierunku zachodnim, wiejÈce w strefie równikowej na wysokoĂci 2000–3000 m, niosÈce gorÈce powietrze od równika w kierunku zwrotników, gdzie na skutek obrotowego ruchu Ziemi zmieniajÈ kierunek na wschodni i spïywajÈ w dóï, po czym jako pasaty wracajÈ w kierunku równika [5, 6].
1.2.2. Monsuny
Monsunami nazywa siÚ sezonowe wiatry miÚdzy oceanem a lÈdem, powstajÈce u poïudniowych i wschodnich wybrzeĝy Azji oraz w Zatoce Gwinejskiej i Amery-ce ¥rodkowej. Monsuny (z grec. ȝȠȣıȫȞİȢ – zmienny), które zmieniajÈ kierunek w zaleĝnoĂci od pory roku (il. 3), to:
– monsun letni (morski) – wiatr wieje od morza w stronÚ lÈdu (niskie ci-Ănienie nad lÈdem i wysokie nad morzem), przynoszÈc pogodÚ deszczowÈ, – monsun zimowy (lÈdowy) – wiatr wieje od lÈdu w kierunku morza (wysokie
ciĂnienie nad lÈdem i niskie nad morzem), przynoszÈc pogodÚ suchÈ [7, 8]. Jeszcze niedawno gïównej przyczyny powstawania monsunów upatrywano w róĝnym nagrzewaniu siÚ powierzchni lÈdowych i wodnych. Latem lÈd nagrzewa siÚ szybciej niĝ woda, co powoduje unoszenie siÚ nagrzanego powietrza, a tym samym spadek ciĂnienia. W zwiÈzku z róĝnicÈ ciĂnieñ miÚdzy wodÈ a lÈdem po-jawiajÈ siÚ gwaïtowne wiatry wiejÈce znad morza w gïÈb lÈdu. ZimÈ niĝe tworzÈ siÚ nad cieplejszymi wodami, co powoduje przemieszczanie siÚ monsunów od lÈdu w stronÚ morza (wiatry wiejÈ z obszarów o wyĝszym ciĂnieniu do obszarów o niĝszym ciĂnieniu). Obecnie powstawanie monsunów tïumaczy siÚ przesuwa-niem siÚ w ciÈgu roku MiÚdzyzwrotnikowej Strefy ZbieĝnoĂci (MSZ). Latem, za punktem podsïonecznym, linia MSZ przesuwa siÚ na póïnoc od równika daleko w gïÈb kontynentu azjatyckiego, w zwiÈzku z czym pasaty przekraczajÈ równik i zmieniajÈ kierunek z poïudniowo-wschodniego na poïudniowo-zachodni i przy-noszÈ znad oceanu zachmurzenie i opady. ZimÈ dzieje siÚ odwrotnie. Nowa teoria nie traktuje pasatów jako zaburzenia ogólnej cyrkulacji atmosfery, ale mówi, ĝe sÈ one skïadowÈ ogólnej cyrkulacji atmosfery. Teoria ta znajduje potwierdzenie, gdyĝ badania nie potwierdziïy istnienia górnych prÈdów – antymonsunów, przeciwnych do monsunów, których obecnoĂÊ jest przyjmowana w pierwszej przedstawionej teorii. Monsun letni ma duĝe znaczenie dla rolnictwia w Azji – pomaga nawadniaÊ suche obszary w gïÚbi kontynentu. Monsun letni jest wiatrem ciepïym i wilgot-nym, a monsun zimowy jest wiatrem suchym, a zarazem zimnym (il. 3) [7–9].
1.2. Typy wiatrów
Il. 3. Cyrkulacja monsunowa [10]
1.2.3. Bryza
WypoczywajÈc nad morzem, spotykamy siÚ z bryzÈ, czyli wiatrem wiejÈcym na granicy dwóch obszarów, w tym wypadku wody i lÈdu. Zmiany kierunku wia-tru, wystÚpujÈce zwykle w rytmie dobowym, wywoïane sÈ róĝnicami w tempie nagrzewania siÚ tych obszarów [2, 11]. Na wybrzeĝu morskim w dzieñ lÈd na-grzewa siÚ szybciej niĝ woda, dlatego cieplejsze powietrze nad lÈdem unosi siÚ (powodujÈc spadek ciĂnienia na powierzchni lÈdu), a na jego miejsce pojawia siÚ chïodniejsze i bardziej wilgotne powietrze znad morza. Bryza dzienna (morska) wieje zatem znad morza na lÈd (il. 4). Natomiast w nocy woda oddaje ciepïo wolniej niĝ lÈd, dlatego ciĂnienie nad wodÈ jest niĝsze niĝ na powierzchni lÈdu, co powoduje zmianÚ kierunku wiatru. Bryza nocna (lÈdowa) przynosi nad wodÚ suche powietrze znad lÈdu. Bryza ma typowy zasiÚg do 20–30 km od linii brze-gowej w stronÚ wody. W stronÚ lÈdu zasiÚg ten jest mniejszy i uzaleĝniony od charakteru powierzchni (il. 5).
Front bryzowy jest zjawiskiem zwiÈzanym z bryzÈ morskÈ. Zimne powietrze znad wody wypiera ciepïe powietrze znad lÈdu i w strefie konwergencji tworzy siÚ pïytki zimny front. Czasami nad frontem widaÊ chmury typu cumulus powodowa-ne przez wynoszenie siÚ powietrza na froncie. Maksymalny zasiÚg bryzy morskiej wynosi okoïo 130 km [13].
Analogicznymi do bryzy zjawiskami sÈ: wiatry górskie i dolinne powstajace przy bezchmurnej pogodzie w ciepïej porze roku; bryza miejska i leĂna – zwiÈzane z gradientem temperatury oraz wiatry monsunowe – powstajÈce na wiÚkszÈ skalÚ przestrzennÈ i w cyklu póïrocznym.
Przewidywanie bryzy morskiej jest istotne w strefie brzegowej. Przykïadowo w Polsce badano wïasnoĂci bryzy morskiej przy studiach nad lokalizacjÈ
Elektrow-Il. 4. Bryza w ciÈgu dnia:
1 – chïodna woda, 2 – ciepïy lÈd, 3 – ciepïe powietrze, 4 – chïodne powietrze, 5 – wilgotne, chïodne powietrze, 6 – niĝ 7 – wyĝ (A. J. Fijaïkowski [12])
Il. 5. Bryza nocÈ:
1 – ciepïa woda, 2 – chïodny lÈd, 3 – chïodne powietrze, 4 – ciepïe powietrze, 5 – suche, zimne powietrze, 6 – wyĝ, 7 – niĝ (A. J. Fijaïkowski [12])
1.2. Typy wiatrów
ni JÈdrowej w ¿arnowcu [14]. Prognoza bryzy morskiej jest istotna w olimpijskim ĝeglarstwie wyczynowym. Rozwój bryzy morskiej zaleĝy nie tylko od gradientu temperatury pomiÚdzy powietrzem nad lÈdem i wodÈ, ale takĝe od kierunku i siïy wiatru w duĝej skali. W 1962 r. Biggs i Graves [15] wprowadzili indeks bryzowy zdefiniowany jako:
(1)
gdzie: cp=1000 JK-1kg-1 jest ciepïem wïaĂciwym przy staïym ciĂnieniu, U jest
prÚdko-ĂciÈ wiatru, a ǻT jest róĝnicÈ temperatury pomiÚdzy powietrzem nad lÈdem i powie-trzem nad wodÈ i okreĂla wpïyw wiatrów synoptycznych na rozwój bryzy morskiej. Dla wartoĂci wiÚkszych niĝ 3–10 bryza morska nie moĝe siÚ rozwinÈÊ [16].
1.2.4. Fen
Fenem (z niem. Föhn) nazywa siÚ ciepïy i suchy wiatr wiejÈcy z gór w kierunku dolin. W wyniku zmian fizycznych nastÚpuje ogrzewanie i osuszanie spadajÈcego powietrza oraz gwaïtowne podwyĝszenie temperatury w obszarze oddziaïywania fenu. W Tatrach fen nazywany jest halnym [2].
Wiatry fenowe mogÈ spowodowaÊ znaczne podniesienie temperatury – nawet o 20°C w ciÈgu kilku minut, jak to siÚ niekiedy zdarza w Ameryce Póïnocnej. Nagïe porywy wiatrów fenowych sÈ przyczynÈ szkód w gospodarstwach rolnych, a takĝe w leĂnictwie. Warto wspomnieÊ o halnym, który wiaï w Polsce w grudniu 2013 r., powodujÈc znaczne straty w drzewostanie, w Zakopanem ucierpiaïo wiele budynków, a kilkadziesiÈt osób zostaïo rannych [17].
Powstawanie i cechy fizyczne wiatrów fenowych wynikajÈ z róĝnic, jakie wy-stÚpujÈ w trakcie zmian temperatury powietrza wilgotnego i suchego w wyniku zmiany ciĂnienia (gradient adiabatyczny). Warunkiem powstania tego wiatru jest róĝnica ciĂnienia atmosferycznego po obu stronach bariery górskiej. Róĝnica ta wymusza ruch powietrza. Powietrze, napotykajÈc góry, unosi siÚ, ochïadzajÈc siÚ wilgotnoadiabatycznie, tj. okoïo 0,6°C na 100 m wysokoĂci. W czasie unoszenia siÚ powietrza nastÚpuje kondensacja – tworzÈ siÚ chmury i padajÈ deszcze. Suche juĝ powietrze przekracza barierÚ szczytów górskich i opada po drugiej stronie ku dolinom. OpadajÈc, ogrzewa siÚ, ale tym razem suchoadiabatycznie, tj. okoïo 1°C na 100 m (il. 6). StÈd teĝ wiatry fenowe sÈ suche oraz znacznie cieplejsze niĝ po-wietrze na tej samej wysokoĂci po przeciwnej stronie gór. Im wyĝsza jest bariera górska, tym ta róĝnica moĝe byÊ wiÚksza. Róĝnica temperatury powstaje wyïÈcznie w wyniku skraplania siÚ pary wodnej zawartej w powietrzu. Jeĝeli napïywajÈce powietrze jest suche lub góra jest zbyt niska, by zaszïo skraplanie, to powietrze
nie ogrzewa siÚ po stronie zawietrznej. Zjawisko to zachodzi tylko do pewnej wysokoĂci góry. Powyĝej, gdy temperatura rozprÚĝonego powietrza jest niska i nie zawiera ono juĝ prawie pary wodnej, wysokoĂÊ góry nie ma juĝ znaczenia dla tego procesu. Niektóre nazwy regionalne fenu to:
– halny – Tatry, Beskidy,
– Berkvint, Polák – Góry Orlickie po stronie czeskiej, – Föhn – Alpy,
– puelche – Chile (Andy), – zonda – Argentyna (Andy), – austrul – Karpaty Rumuñskie, – chinook – Góry Skaliste,
– Santa Ana winds – Poïudniowa Kalifornia, USA, – Diablo winds – Póïnocna Kalifornia, USA, – Bergwind – Afryka Poïudniowa [18].
W wysokich górach zjawiskiem wywoïanym fenem jest inwersja opadów.
Il. 6. Zasada powstawanie fenu [12]
1.2.5. Inne rodzaje wiatrów
Na caïym Ăwiecie wiejÈ wiatry, których mechanizm powstawania jest podobny, a nazwy róĝne (np. fen). Poniĝej przedstawiono wybrane rodzaje wiatrów, jeĂli jesteĂcie Pañstwo zainteresowani tÈ tematykÈ, zachÚcamy do przestudiowania literatury [1–9, 19].
Harmattan (z jÚzyka twi: harmatan) to silny póïnocno-wschodni wiatr wiejÈcy w porze suchej znad Sahary na wybrzeĝe Zatoki Gwinejskiej, a takĝe na zachod-nie wybrzeĝe Afryki Póïnocnej. Suchy, pylny i gorÈcy wiatr pasatowy przynoszÈcy znaczny spadek wzglÚdnej wilgotnoĂci powietrza nawet do 1% (il. 7) [2, 20].
1.3. Siïa wiatru. Skala Beauforta
Il. 7. Widok na meczet w Abudĝy w czasie harmattanu (fot. H. Martin [12])
Samum (z arab. samma = ’truÊ’) to gwaïtowny, suchy i gorÈcy poïudniowy wiatr, wiejÈcy na pustyniach Afryki Póïnocnej i Póïwyspu Arabskiego oraz w ich sÈsiedztwie. Samumy wywoïujÈ burze pyïowe i piaskowe. WystÚpujÈ najczÚĂciej w okresie od kwietnia do czerwca [2].
Tramontana (z ïac. transmontanus = mieszkajÈcy za górami) to chïodny wiatr póïnocny lub póïnocno-wschodni, wiejÈcy na zachodnim wybrzeĝu Wïoch i Kor-syki. Powstaje w sytuacji, gdy nad Morzem Adriatyckim panuje niskie ciĂnienie, a nad zachodniÈ czÚĂciÈ Morza ¥ródziemnego lub w Alpach – wysokie. We Francji jest to takĝe wiatr póïnocno-zachodni w poïudniowej czÚĂci kraju oraz w póïnoc-nej Katalonii. Wieje wzdïuĝ Pirenejów i poïudniowo-wschodniej czÚĂci Masywu Centralnego. CzÚsto (mylnie) nazywany jest mistralem, który jest wywoïany po-dobnymi czynnikami i ma zbliĝonÈ charakterystykÚ [2, 21].
Jak juĝ wczeĂniej wspomniano, istnieje wiele rodzajów wiatru. Bardzo czÚsto nadawane im sÈ lokalne nazwy. Przykïadowo tylko dla wiatrów jeziora Bajkaï mieszkañcy wymieniajÈ okoïo 30 rodzajów wiatru [22].
1.3. Si
ïa wiatru. Skala Beauforta
MiarÈ siïy wiatru jest jego prÚdkoĂÊ. CzÚsto siïÚ wiatru okreĂla siÚ wedïug 13-stop-niowej (0–12) skali Beauforta (tab. 1), opartej na wynikach obserwacji skutków wywoïanych przez wiatr na morzu lub lÈdzie. SkalÚ utworzyï w 1806 r. Francis
Tab. 1. Skala Beauforta [1, 23, 24]
Stopnie
[ºB] Nazwa wiatru
PrÚdkoĂÊ wiatru
[km/h] Objawy na morzu Objawy na lÈdzie 0 cisza <1 lustrzana gïadě spokój, dym unosi siÚ
pionowo 1 bardzo sïaby
powiew 1–5 zmarszczki na wodzie delikatny ruch powietrza nieznacznie odchyla dym 2 sïaby wiatr 6–11 pasma drobnych fal wiatr wyczuwalny na skórze,
liĂcie szeleszczÈ 3 ïagodny wiatr 12–19 fala dïuĝsza, moĝna
rozróĝniÊ grzbiety fal liporuszajĂcie i maïe gaïÈzki È siÚ 4 umiarkowany
wiatr 20–28 swystïychaÊ sïaby plusk, Úpuje biaïa piana gaporuszaïÚzie zaczynajÈ siÚ Ê, wiatr unosi z ziemi kurz i suche liĂcie
5 doĂÊ silny
wiatr 29–38 wyrado 1,2 m děny szum morza, fale ïugoĂci, gÚste biaïe grzebienie
wyprostowujÈ siÚ duĝe ß agi, wiatr gwiĝdĝe w uszach 6 silny wiatr 39–49 szum morza przypomina
turkot, fale z pianÈ na grzbietach i bryzgi
poruszajÈ siÚ grube gaïÚzie drzew, wiatr zrywa kapelusze z gïów
7 bardzo silny
wiatr 50–61 fale pipokryte pianÚtrzÈ siÚ, caïe morze È, gïoĂny szum morza
poruszajÈ siÚ najwiÚksze gaïÚzie drzew, pod wiatr idzie siÚ z wysiïkiem
8 sztorm/wicher 62–74 tworzÈ siÚ pasma piany
wzdïuĝ kierunku wiatru ïamiÈ siÚ drobne gaïÚzie, samochody skrÚcajÈ pod wpïywem wiatru 9 silny sztorm 75–88 bardzo duĝe fale (2,75 m)
z gÚstÈ pianÈ, grzbiety fal zaczynajÈ siÚ zwġ aÊ, ryk morza urywany
wiatr ïamie duĝe gaïÚzie, uszkadza dachy, przewraca kominy
10 bardzo silny
sztorm 89–102 caïa powierzchnia morza robi siÚ biaïa od piany, ryk morza coraz potÚĝniejszy, ograniczona widocznoĂÊ
drzewa wyrywane z korzeniami, powaĝne zniszczenia konstrukcji 11 gwaïtowny
sztorm 103–117 wiatr zrywa grzebienie fal, tworzÈc zamieÊ wodnÈ, ryk morza zmienia siÚ w nieartykuïowany haïas
znaczna czÚĂÊ konstrukcji zniszczona
12 huragan >117 olbrzymie fale, zamieÊ wodna wykluczajÈca widocznoĂÊ, zagïuszajÈcy ryk morza
masowe i powszechne zniszczenia konstrukcji
1.3. Siïa wiatru. Skala Beauforta
Beaufort, irlandzki hydrograf, oficer floty brytyjskiej. PoczÈtkowo nie okreĂlaïa ona prÚdkoĂci wiatru, lecz wymieniaïa iloĂciowe cechy od 0 do 12, okreĂlajÈce sposób, w jaki powinny pïywaÊ ĝaglowce – od wystarczajÈcego, aby mieÊ sterownoĂÊ, do
takiego, przy którym „pïótna” nie mogÈ wytrzymaÊ. Skala staïa siÚ standardem w zapisach dzienników okrÚtowych floty królewskiej w koñcu lat 30. XIX w. Skala Beauforta zostaïa zaadaptowana do uĝytku na lÈdzie w latach 50. XIX w. Jej war-toĂci posïuĝyïy do cechowania liczby obrotów anemometrów. Taka skala zostaïa zestandaryzowana dopiero w 1932 r. i od tego czasu zaczÚïa wchodziÊ do uĝytku w meteorologii [1, 23, 24].
SiïÚ wiatru podaje siÚ najczÚĂciej w m/s lub w km/h, przy czym 1 m/s odpo-wiada 3,6 km/h. Czasami uĝywa siÚ innych jednostek dla okreĂlenia prÚdkoĂci wiatru: 1 wÚzeï odpowiada 1,852 km/h oraz 0,514 m/s; 1 mila to z kolei 1,61 km/h i 0,45 m/s.
W wyborze lokalizacji pod elektrowniÚ wiatrowÈ duĝÈ rolÚ odgrywa szorstkoĂÊ terenu, ma ona bowiem wpïyw na rozkïad prÚdkoĂci wiatru w funkcji wysokoĂci (tab. 2) [25].
Tab. 2. Skala szorstkoĂci [25]
Klasa szorstkoĂci SzorstkoĂÊ dïugoĂÊ [m] Energia [%] Rodzaj terenu 0 0,0002 100 powierzchnia wody
0,5 0,0024 73 caïkowicie otwarty teren, np. betonowe lotnisko, trawiasta ïÈka
1 0,03 52 otwarte pola uprawne z pojedynczÈ, niskÈ zabudowÈ
1,5 0,055 45 tereny uprawne, zabudowania w odlegïoĂci min 1250 m
2 0,1 39 tereny uprawne, zabudowania w odlegïoĂci min 500 m
2,5 0,2 31 tereny uprawne, zabudowania w odlegïoĂci min 250 m
3 0,4 24 wsie, maïe miasteczka, las, teren pofaïdowany 3,5 0,8 18 duĝe miasta z wysokimi budynkami
4 1,6 13 bardzo duĝe miasta z wysokimi budynkami i drapaczami chmur
Literatura
[1] J. Czajewski, Meteorologia dla ĝeglarzy, Oficyna Wydawnicza Alma-Press,
Warsza-wa 2001.
[2] A. WoĂ, ABC meteorologii, WN UAM, Poznañ 2005.
[3] I. Soliñski, Energetyczne i ekonomiczne aspekty wykorzystania energii wiatrowej, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków 1999.
[4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Wiatr (wejĂcie 15.02.2014). [5] http://pl.wikipedia.org/wiki/Pasat (wejĂcie 15.02.2014).
[6] G. E. PiÚter, F. Augustinus, The influence of the trade winds on the coastal
deve-lopment of the Guianas a various scale levels: a synthesis, “Marine Geology” 208,
2004, s. 145–151.
[7] K. Koĝuchowski, J. Wibig, J. DegirmendžiÊ, Meteorologia i klimatologia, WN PWN, Warszawa 2007.
[8] http://pl.wikipedia.org/wiki/Monsun (wejĂcie 16.02.2014).
[9] A. WoĂ, Meteorologia dla geografów, WN PWN 2002 (wejĂcie 16.02.2014). [10] http://geografia_liceum.republika.pl/monsun.html (wejĂcie 16.02.2014). [11] http://pl.wikipedia.org/wiki/Bryza (wejĂcie 28.02.2014).
[12] Rysunek z zasobów Wikimedia Commons.
[13] E. Adams, Four ways to win the sea breeze game, “Sailing World”, March, 1997, s. 44–49.
[14] M. Augustynowicz, P. J. Flatau, Numerical study of the sea-breeze phenomena, “Acta Geophysica Polonica” 29, 1981, s. 117–122.
[15] W. G. Biggs, M. E. Graves, A lake breeze index, “Journal of Applied Meteorology” 1, s. 474–480.
[16] A. Porson, D. G. Steyn, G. Schayes, Formulation of an index for sea breezes in
opposing winds, “Journal of Applied Meteorology and Climatology” 46, 2007,
s.b1257–1263.
[17] http://polska.newsweek.pl/jakie-szkody-spowodowal-halny-w-tatrach-bilans-newsweek-pl,artykuly,277636,1.html (wejĂcie 10.03.2014).
[18] http://pl.wikipedia.org/wiki/Fen (wejĂcie 15.02.2014).
[19] A. Flaga, Inĝynieria wiatrowa: podstawy i zastosowania, Arkady, Warszawa 2008.
[20] http://pl.wikipedia.org/wiki/Harmattan (wejĂcie 24.02.2014). [21] http://pl.wikipedia.org/wiki/Tramontana (wejĂcie 24.02.2014).
[22] http://pl.wikipedia.org/wiki/Wiatry_jeziora_Bajka%C5%82 (wejĂcie 24.02.2014). [23] S. Huler, Defining the Wind: The Beaufort Scale, and How a 19th-Century Admiral
Turned Science into Poetry, Clown 2004.
[24] A. Porteous, Dictionary of environmental science and technology, Wiley, New York 2008.
[25] http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/inzynieria_srodowiska/c_odnaw_zro-dla_en/files/szorstkosc.htm (wejĂcie 03.03.2014).
2. Typy elektrowni wiatrowych
2.1. Podzia
ï elektrowni wiatrowych
E
lektrownie wiatrowe dzielone sÈ na typy ze wzglÚdu na zastosowanie (przy-domowe lub przemysïowe), moc (mikro, maïe i duĝe) oraz lokalizacjÚ (lÈdowe i morskie). Do zastosowañ przydomowych (na potrzeby wïasne uĝytkownika) wykorzystywane sÈ mikro i maïe elektrownie. Duĝe elektrownie przemysïowe sÈ przystosowane do sprzedaĝy energii. Poniĝej przedstawiono szczegóïowy opis podziaïu elektrowni wiatrowych ze wzglÚdu na moc:1. Mikroelektrownie wiatrowe – o mocy poniĝej 100 W. Uĝywa siÚ ich najczÚ-Ăciej do ïadowania baterii akumulatorów stanowiÈcych zasilanie obwodów wydzielonych – w miejscach, gdzie sieÊ elektroenergetyczna nie wystÚpu-je. Takie elektrownie moĝna wykorzystaÊ do zasilania przez akumulatory czÚĂci oĂwietlenia domu: pojedynczych lamp, a nawet poszczególnych po-mieszczeñ czy urzÈdzeñ.
2. Maïe elektrownie wiatrowe – o mocy od 100 W do 50 kW. Elektrownie z tej grupy mogÈ zapewniaÊ energiÚ elektrycznÈ w pojedynczych gospodarstwach domowych, a nawet w maïych firmach. W warunkach przydomowych naj-popularniejsze sÈ elektrownie 3–5 kW. Moc takich elektrowni, wspoma-gana energiÈ zmagazynowanÈ w akumulatorach, wystarczy do zasilania oĂwietlenia, ukïadów pompowych, sprzÚtu i urzÈdzeñ domowych.
3. Duĝe elektrownie wiatrowe (w praktyce powyĝej 100 kW), oprócz tego, ĝe mogÈ zasilaÊ dom, stosowane sÈ przede wszystkim do wytwarzania prÈdu, który sprzedaje siÚ do sieci elektroenergetycznej. Taka elektrownia musi speïniaÊ szczegóïowe wymagania lokalnego operatora sieci. Potrzebna jest oczywiĂcie jego zgoda na takie przyïÈczenie [1, 2].
Podstawowym kryterium podziaïu elektrowni wiatrowych jest poïoĝenie osi obrotu wirnika, zgodnie z którym rozróĝnia siÚ dwa rodzaje elektrowni:
– z poziomÈ osiÈ obrotu – HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines), sÈ to najczÚĂciej instalowane turbiny na Ăwiecie,
– z pionowÈ osiÈ obrotu – VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines),
Podziaïu elektrowni wiatrowych moĝna równieĝ dokonaÊ ze wzglÚdu na inne kryteria:
– sposób wykorzystania produkowanej energii wyróĝnia siÚ siïownie energe-tyczne i siïownie mechaniczne (np. pompowe),
– liczbÚ pïatów wirnika – elektrownie jedno-, dwu-, trzy-, cztero- i wielopïa-towe,
– usytuowanie wirnika wzglÚdem kierunku wiatru i masztu (w elektrowniach typu HAWT),
– dowietrzne (ang. up-wind) oraz odwietrzne (ang. down-wind),
– szybkobieĝnoĂÊ – elektrownie wolnobieĝne, Ăredniobieĝne i szybkobieĝne. Maïe Turbiny Wiatrowe (MTW), ze wzglÚdu na maïÈ moc pojedynczej turbiny, wydajÈ siÚ maïo istotne, jednakĝe po zsumowaniu mocy wszystkich jednostek mogÈ stanowiÊ istotny potencjaï energii z OZE. MTW majÈ wiele zalet, a sÈ to:
– ïatwa instalacja elektrowni,
– niskie koszty inwestycyjne i wytwarzania energii,
– elektrownie rozpoczynajÈ pracÚ przy prÚdkoĂci wiatru 2 m/s,
– elektrownie mogÈ byÊ eksploatowane niemal w kaĝdym miejscu, ich nega-tywne oddziaïywanie na Ărodowisko jest znikome,
– nie wymagajÈ linii przesyïowych [1, 2].
2.2. Pierwsze turbiny produkuj
Èce prÈd elektryczny
Energia wiatru od dawna byïa wykorzystywana w drewnianych wiatrakach. Ich opis znajdÈ Pañstwo w rozdziale Aeroenergetyka w Polsce oraz w licznych opra-cowaniach literaturowych [3–5].
Rozwój przemysïu sprawiï, ĝe zaczÚto poszukiwaÊ nowych ěródeï elektryczno-Ăci. Na przeïomie lat 1887/1888 Charles F. Brush zbudowaï pierwszÈ samoczynnie dziaïajÈcÈ siïowniÚ wiatrowÈ produkujÈcÈ energiÚ elektrycznÈ (il. 1). Elektrownia zostaïa wykonana z drzewa cedrowego i skïadaïa siÚ ze 144 ïopat, miaïa 17 m Ărednicy i waĝyïa 80 Mg. Elektrownia Brusha pracowaïa przez 20 lat, zasilajÈc akumulatory. Pomimo duĝych rozmiarów, miaïa ona moc 12 kW, co byïo spowo-dowane zastosowaniem wieloobrotowego i wielopïatowego wirnika [6].
2.2. Pierwsze turbiny produkujÈce prÈd elektryczny
Il. 1. Pierwsza turbina wiatrowa zbudowana przez Charles’a Brusha (autor nieznany [7])
WadÚ turbiny Brusha wyeliminowaï Duñczyk Poul la Cour – zaczÈï on badaÊ turbiny wyposaĝone w kilka ïopat (il. 2). Co ciekawe, badania prowadzone byïy w prototypie tunelu aerodynamicznego. Ich owocem byïo wybudowanie w 1891br. w Akov instalacji testowej, a w 1897 r. siïowni wiatrowej, z której produkowano prÈd niezbÚdny w procesie elektrolizy. Otrzymywany w ten sposób wodór wykorzy-stywany byï do oĂwietlenia1 [8]. Przed wybuchem II wojny Ăwiatowej na obszarze
Danii pracowaïo przeszïo 1300 turbin, w USA zaĂ aĝ 6 milionów.
W 1934 r. amerykañski inĝynier Palmer Putnam, po wybudowaniu letniego domu stwierdziï, ĝe rachunki za elektrycznoĂÊ sÈ zbyt wysokie. Z drugiej strony tereny wokóï domu charakteryzowaïy siÚ dobrymi warunkami wietrznymi, wiÚc
1 Co ciekawe, w wielu krÚgach naukowych uwaĝa siÚ, ĝe wykorzystanie energii elektrycznej wytworzonej
postanowiï zbudowaÊ turbinÚ wiatrowÈ. Nadmiar energii elektrycznej mógïby byÊ przekazywany do sieci, a w przypadku braku wiatru energia mogïaby byÊ pobierana z sieci. Putnam doszedï do wniosku, ĝe aby inwestycja byïa opïacalna, turbina powinna mieÊ powyĝej 1 MW mocy. W ten sposób omawiana turbina staïa siÚ pre-kursorem obecnych wielkich turbin wspóïpracujÈcych z sieciÈ. Pod koniec 1939br. rozpoczÚto projektowanie i budowanie poszczególnych czÚĂci elektrowni. Projekt obejmowaï wirnik o Ărednicy 53,3 m, skïadajÈcy siÚ z 2 ïopat wykonanych ze stali nierdzewnej, kaĝda o dïugoĂci 20 m i szerokoĂci 3,4 m. opaty, które waĝyïy 7,3bMg kaĝda, mocowane byïy do mechanizmu osiowego turbiny na wysokoĂci 36,6 m nad poziomem gruntu. Wykorzystano generator firmy General Electric o mocy 1,25 MW, pracujÈcy przy napiÚciu znamionowym 2400 V i znamionowej prÚdkoĂci obrotowej wynoszÈcej 600 obrotów/minutÚ [10, 11].
Po raz pierwszy energia elektryczna zostaïa wytworzona przez turbinÚ w paědzierniku 1941 r. Przez nastÚpne 16 miesiÚcy turbina przepracowaïa ponad 1000 godzin przy prÚdkoĂci wiatru dochodzÈcej do 113 km/h. W nastÚpstwie silnej
2.3. Wspóïczesne turbiny o poziomej osi obrotu
wichury, gdy prÚdkoĂÊ wiatru dochodziïa do blisko 200 km//h, zostaï uszkodzony waï turbiny. Waï wymieniono, niestety w marcu 1945 r. urwaïa siÚ jedna z dwóch ïopat turbiny. Na skutek braku materiaïów budowlanych, wynikajÈcego z dzia-ïañ wojennych, elektrowni nie naprawiano. Pomimo ĝe elektrownia Putnama2
pracowaïa niecaïe 4 lata, zdobyte doĂwiadczenie pozwoliïo wyeliminowaÊ bïÚdy w konstrukcji przyszïych turbin [10, 11].
2.3. Wspó
ïczesne turbiny o poziomej osi obrotu
W 1950 r. Johannes Juul skonstruowaï pierwszÈ turbinÚ wiatrowÈ wyposaĝonÈ w generator prÈdu przemiennego, 7 lat póěniej wybudowaï pierwszÈ „wspóïczesnÈ” elektrowniÚ wiatrowÈ o mocy 200 kW (il. 3). Obecnie turbinÚ tÚ moĝna zobaczyÊ w Energy Museum (Energimuseet) w pobliĝu Bjerrinbro w Danii [12].
Il. 3. Turbina Johannesa Juula [13]
2 Turbina Putnama jest czÚsto nazywana Smitha-Putnama, gdyĝ Morgan Smith pomagaï przy jej
Na przestrzeni lat 60. i 70. XX w. w Europie najpopularniejsze byïy trójpïa-towe turbiny o mocy z zakresu od 10 do 25 kW. W tamtych czasach wiÚkszoĂÊ konstrukcji byïa dzieïem pasjonatów, przykïadem moĝe byÊ Christian Riisager, który w latach 1974–1979 wybudowaï okoïo 30 turbin wiatrowych. Do 1973 r. aeroenergetyka nie odgrywaïa niemal ĝadnej roli w energetyce Ăwiatowej. Pierw-szy kryzys naftowy sprawiï jednak, ĝe zarówno naukowcy, jak i energetycy zaczÚli rozwijaÊ odnawialne ěródïa energii, w tym aeroenergetykÚ. W USA rzÈd federalny wprowadziï energetykÚ wiatrowÈ do krajowego programu badañ i rozwoju. W efek-cie w stanie Ohio zainstalowano prototypowÈ turbinÚ nazwanÈ MOD-0, o mocy 1bMW, a nastÚpnie kolejne – MOD-0A i MOD-2. Agencja NASA równieĝ przy-czyniïa siÚ do rozwoju energetyki wiatrowej – wybudowana przy jej wspóïudziale turbina nad rzekÈ Columbia miaïa ïopaty o dïugoĂci okoïo 100 m [14].
Przemysï zainteresowaï siÚ elektrowniami wiatrowymi na poczÈtku lat 80. XX w. Z inicjatywy duñskich zakïadów energetycznych zdecydowano siÚ na opracowanie turbiny o mocy 660 kW. Kolejne lata to rozwiÈzywanie wielu proble-mów technicznych zwiÈzanych z konstrukcjÈ generatora, wytrzymaïoĂciÈ mecha-nicznÈ, doborem odpowiednich materiaïów na wieĝe i ïopaty wirników. Ostatnie 20 lat to prawdziwy rozkwit aeroenergetyki na Ăwiecie.
2.3.1. Budowa turbiny o poziomej osi obrotu
Jak juĝ wczeĂniej wspomniano, na Ăwiecie najbardziej rozpowszechnione sÈ tur-biny o poziomej osi obrotu, skïadajÈce siÚ z:
– wieĝy noĂnej z fundamentem,
– gondoli zawierajÈcej generator, przekïadniÚ, ïoĝyska, przeksztaïtnik energo-elektroniczny, ukïady smarowania, chïodzenia, hamowania, transformator blokowy (w wiÚkszoĂci przypadków) oraz ukïady sterowania poïoĝeniem turbiny wzglÚdem wiatru,
– turbiny wiatrowej zawierajÈcej wirnik, ïopaty i ukïady sterowania ich po-ïoĝeniem,
– kabli wyprowadzajÈcych energiÚ,
– ukïadów sterowania elektro wniÈ wiatrowÈ wraz z ukïadami pomiarowymi oraz systemami telekomunikacji [15].
Wirnik ma zwykle trzy ïopaty, choÊ istniejÈ takĝe konstrukcje, w których ïopat jest mniej – dwie lub nawet jedna – bÈdě wiÚcej, przykïadem mogÈ byÊ kil-kunastoïopatowe wiatraki amerykañskie, uĝywane do napÚdzania pomp wodnych. Wirnik i gondola umieszczone sÈ na wieĝy (il. 4). NajwaĝniejszÈ czÚĂciÈ elektrowni wiatrowej jest wirnik, w którym dokonuje siÚ zamiana energii wiatru na energiÚ mechanicznÈ. Osadzony jest on na wale, poprzez który napÚdzany jest generator.
2.3. Wspóïczesne turbiny o poziomej osi obrotu
Wirnik obraca siÚ najczÚĂciej z prÚdkoĂciÈ 15–20 obr./min, natomiast typowy generator asynchroniczny wytwarza energiÚ elektrycznÈ przy prÚdkoĂci ponad 1500 obr./min. W zwiÈzku z tym niezbÚdne jest uĝycie skrzyni przekïadniowej, w której dokonuje siÚ zwiÚkszenie prÚdkoĂci obrotowej. NajczÚĂciej spotyka siÚ
Il. 4. Budowa turbiny wiatrowej:
1 – fundament, 2 – wyjĂcie do sieci elektroenergetycznej, 3 – wieĝa, 4 – drabinka wejĂciowa, 5 – serwomechanizm kierunkowania elektrowni,
6 – gondola, 7 – generator, 8 – wiatromierz, 9 – hamulec postojowy, 10 – skrzynia przekïadniowa, 11 – ïopata wirnika,
12 – siïownik mechanizmu przestawiania ïopat, 13 – piasta (fot. Arne Nordmann [7])
wirniki trójpïatowe, zbudowane z wïókna szklanego wzmocnionego poliestrem. W piaĂcie wirnika umieszczony jest serwomechanizm, pozwalajÈcy na ustawie-nie kÈta nachylenia ïopat (skoku). Gondola musi mieÊ moĝliwoĂÊ obracania siÚ o 3600, aby zawsze moĝna ustawiÊ jÈ pod wiatr. W zwiÈzku z tym na szczycie
wieĝy zainstalowany jest silnik, który dziÚki przekïadni zÚbatej moĝe jÈ obra-caÊ. W elektrowniach maïej mocy, gdzie masa gondoli jest maïa, jej ustawienie pod wiatr zapewnia ster kierunkowy zintegrowany z gondolÈ. PracÈ mechanizmu ustawienia ïopat i kierunkowania elektrowni zarzÈdza ukïad mikroprocesorowy na podstawie danych wejĂciowych (np. prÚdkoĂci i kierunku wiatru). Ponadto w gondoli znajdujÈ siÚ: transformator, ïoĝyska, ukïady smarowania oraz hamulec zapewniajÈcy zatrzymanie wirnika w sytuacjach awaryjnych [16].
WiÚkszoĂÊ wspóïczesnych elektrowni wiatrowych jest wyposaĝona w stoso-wane w siïowniach wiatrowych o staïej prÚdkoĂci obrotowej generatory asynchro-niczne. ZaletÈ tego typu siïowni jest ïatwoĂÊ podïÈczenia do sieci energetycznej, wadÈ zaĂ koniecznoĂÊ uĝywania przekïadni o duĝym stopniu przeïoĝenia – naj-wiÚkszÈ moc uĝytecznÈ wytwarzajÈ generatory asynchroniczne, pracujÈ bowiem przy prÚdkoĂci obrotowej znacznie przekraczajÈcej prÚdkoĂÊ obrotowÈ wirnika. Inna wada takich rozwiÈzañ to spadek ogólnej sprawnoĂci elektrowni, wywoïany staïÈ prÚdkoĂciÈ obrotowÈ wirnika, niezaleĝnÈ od prÚdkoĂci wiatru, a takĝe fakt, ĝe przekïadnie o duĝym stopniu przeïoĝenia stanowiÈ najbardziej awaryjny i ha-ïaĂliwy zespóï siïowni wiatrowej [15, 16].
Generatory asynchroniczne klatkowe stosowane w elektrowniach wiatrowych budowane sÈ czÚsto jako maszyny o zmiennej (przeïÈczanej) liczbie par biegunów (zazwyczaj o 2 i 3 parach biegunów). Znane sÈ równieĝ konstrukcje zawierajÈce dwa niezaleĝne generatory w jednej obudowie. Tak zwany maïy generator, którego prÚdkoĂÊ synchroniczna wynosi 750 obr./min, pracuje przy sïabych wiatrach. Kiedy prÚdkoĂÊ wiatru wzrasta, uruchamiany zostaje „duĝy generator”, którego prÚdkoĂÊ synchroniczna wynosi 1500 obr./min.
Turbiny wiatrowe sÈ zazwyczaj przyïÈczane do sieci Ăredniego napiÚcia (10–30 kV) i dlatego muszÈ byÊ wyposaĝone w transformatory blokowe. Umieszcza siÚ je w kontenerze stawianym przy wieĝy elektrowni, w samej wieĝy lub w przy-padku jednostek o wiÚkszej mocy znamionowej, w gondoli [15, 16].
Praca elektrowni wiatrowej jest zdeterminowana praktycznie tylko przez wa-runki wiatrowe, tj. prÚdkoĂÊ wiatru oraz jego zmiennoĂÊ w czasie. Wyróĝnia siÚ cztery podstawowe tryby pracy elektrowni wiatrowej:
1) postój elektrowni wiatrowej (w gotowoĂci do pracy) – gdy wiatr wieje zbyt sïabo lub jest cisza,
2) praca z obciÈĝeniem czÚĂciowym (nieznamionowym) – wiatr wieje z mniej-szÈ prÚdkoĂciÈ niĝ prÚdkoĂÊ znamionowa,
2.4. Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu
3) praca ze staïÈ i jednoczeĂnie znamionowÈ mocÈ – wiatr wieje z prÚdkoĂciÈ znamionowÈ bÈdě wiÚkszÈ,
4) postój elektrowni wiatrowej (w gotowoĂci do pracy) – wiatr wieje zbyt moc-no [15, 17].
Dokïadny opis zjawisk fizycznych zachodzÈcych w turbinie wiatrowej znajdÈ Pañstwo w rozdziale Podstawy aerodynamiki wiatraków.
2.4. Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu
W wielu krajach pracujÈ turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu (VAWT – Vertical
Axis Wind Turbine). Uwaĝa siÚ, ĝe jednym z prekursorów turbiny VAWT byï
Fran-cuz Georges Jean Marie Darrieus, który opatentowaï jÈ w 1931 r. Turbina Dar-rieusa (il. 5) ma 2 lub 3 dïugie cienkie ïopaty w ksztaïcie pÚtli „C”, ïÈczÈce siÚ na górze i dole osi obrotu, albo ïopaty proste równolegïe do osi obrotu. NajwaĝniejszÈ zaletÈ turbin VAWT jest ich skuteczne dziaïanie niezaleĝnie od kierunku wiatru. Turbina ma dobrÈ wydajnoĂÊ, natomiast do jej wad naleĝÈ:
1) pulsujÈcy moment obrotowy (redukowany przez zwiÚkszenie liczby ïopat do 3),
2) trudnoĂci z montaĝem wysoko pionowej osi obrotu, przez co wieĝa pracuje w wolniejszym, bardziej turbulentnym przepïywie powietrza przy ziemi, 3) maïy poczÈtkowy moment obrotowy i dlatego potrzebuje dodatkowego
ěródïa zasilania albo wirnika Savoniusa [8, 18].
Turbina Savoniusa zostaïa skonstruowana przez fiñskiego inĝyniera S. J. Savo-niusa w 1922 r. (il. 6). Przekrój poziomy wirnika tej turbiny jest zbliĝony do litery „S”. Róĝnica siï oddziaïywania wiatru na wklÚsïÈ i wypukïÈ stronÚ ïopat powoduje obrót wirnika, niestety, turbina obraca siÚ wolno i dlatego ma maïe zastosowanie do generowania elektrycznoĂci. Uĝywana jest do pompowania wody, anemome-trów, zasilania boi gïÚbinowych. Stosowana wtedy, kiedy niezawodnoĂÊ i koszty sÈ waĝniejsze niĝ wydajnoĂÊ. NajczÚĂciej turbina Savoniusa ma jedynie 2 ïopaty, gdyĝ wiÚksza ich liczba zmniejsza jej sprawnoĂÊ. opaty te powinny byÊ obrócone wzglÚdem siebie o 900 w celu wyrównania momentu startowego, a Ărednica otworu
miÚdzy ïopatami powinna zawieraÊ siÚ w przedziale od 0,1÷0,15b Ărednicy jednej ïopaty. Stosunek wysokoĂci do Ărednicy powinien byÊ dostosowany do warunków, w jakich ma pracowaÊ. Im wyĝszy stosunek wysokoĂci do Ărednicy, tym wyĝsza sprawnoĂÊ, lecz dzieje siÚ to kosztem wytrzymaïoĂci konstrukcji [17, 18].
IstniejÈ rozwiÈzania bÚdÈce poïÈczeniem turbiny Darrieusa z wirnikiem Sa-voniusa. Z poïÈczenia korzystnych cech konstrukcyjnych i aerodynamicznych obu turbin (il. 7), przy jednoczesnym wyeliminowaniu cech ujemnych, otrzymano szereg zmodyfikowanych turbin, takich jak:
– turbina TURBY o mocy 2,5 kW, opracowana w Holandii, z przeznaczeniem do pracy na dachu budynku, z moĝliwoĂciÈ wykorzystania energii wiatru wiejÈcego zarówno poziomo, jak i pod róĝnym kÈtem – co jest moĝliwe dziÚki ukoĂnie ustawionym ïopatom;
– turbina H-Darrieusa – opracowana w Austrii, w ksztaïcie litery H, z trzema pionowymi ïopatami z mechanizmem odĂrodkowym, ukïadem sprÚĝyn umoĝliwiajÈcych samoregulacjÚ obrotów przy róĝnych prÚdkoĂciach wiatru; zamontowany na 5,5-metrowym maszcie wirnik o Ărednicy 1,9 m z ïopa-tami o dïugoĂci 2 m osiÈga moc 1,5 kW;
Il. 5. Turbina Darrieusa w Quebeku, Kanada (fot. Spiritrock4u [7])
2.4. Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu
Il. 6. Turbina Savoniusa (fot. Toro Oimatsu [7])
– turbina Wind Rotor o mocy 0,75–6 kW ma 2 ïopaty szersze niĝ w turbinie H-Darrieusa, ale wÚĝsze niĝ w turbinie Savoniusa,
– turbina Ăwidrowa (Ărubowa), zbudowana w Danii, dziÚki Ărubowemu skrÚ-caniu siÚ ïopat jej praca jest stabilna i cicha [1, 19].
Od 2005 r. amerykañski Departament Energii wspiera prace badawcze zmie-rzajÈce do zaadaptowania dla potrzeb maïej energetyki wiatrowej prototypu turbiny wiatrowej LBNL-T2-0203-RU o pionowej osi obrotu (il. 8) [20].
Il. 7. Turbina bÚdÈca poïÈczeniem turbiny Darrieusa i Savoniusa, Tajwan (fot. Fred Hsu [7])
