Energia wiatru i

Wymiana ciepła

Energia wiatru i

jej wykorzystanie

Historia energetyki wiarowej

Charles F. Brush (1849-1929)

- jeden z założycieli amerykańskiego stowarzyszenia elektryczności.

W latach 1887-88 wybudował urządzenie, które dziś uznawane jest za pierwszą w pełni automatyczną elektrownię wiatrową wytwarzającą prąd.

Wymiary były na ówczesne czasy gigantyczne: średnica wirnika: 17 m (50 stóp), 144 łopaty wirnikowe z drewna cedrowego. Instalacja działała 20 lat, naładowując baterie znajdujące się w piwnicy domu jej twórcy. Mimo imponującego rozmiaru e lektrowni wiatrowej, moc generatora wynosiła zaledwie 12 kW.

Poul la Cour (1846-1908

) - duński meteorolog. Uznawany za ojca nowoczesnych elektrowni wiatrowych wytwarzających prąd. Jego pierwsze komercyjne elektrownie zostały

zainstalowane po pierwszej wojnie światowej, zainicjowane brakiem paliwa napędowego. Założył na Jutlandii pierwszy zakład doświadczalny w zakresie energii wiatrowej, gdzie nauczał pierwszych inżynierów w tej dziedzinie.

Albert Betz (1885-1968)

- niemiecki fizyk. Jako ówczesny kierownik Instytutu Aerodynamiki w Göttingen sformułował prawo Betza i wykazał, że fizyczne maksimum wykorzystania energii wiatru wynosi 59,3%. Jego teoria dotycząca formy skrzydeł stanowi także dziś podstawę przy projektowaniu instalacji wiatrowych.

Palmer Cosslett Putnam

(1910-1986) - amerykański inżynier, opracował w 1941 roku siłownię wiatrową Smith Putnam o mocy 1,25 MW, działającą z przerwami do 1945 roku i

zlikwidowaną z powodu uszkodzenia materiału. Materiały oraz jakość materiału niezbędne dla obiektu tej wielkości nie były wówczas jeszcze osiągalne.

się do przemysłowego i technologicznego przełomu w branży energii wiatrowej

Ulrich W. Hüttner (1910-1990)

- niemiecki inżynier. Zbudowana przez niego w 1957 roku na polu doświadczalnym w Jurze Szwabskiej elektrownia o mocy 100 kW

StGW-34 uznawana jest za kamień milowy w rozwoju nowoczesnej technologii energii wiatrowej.

Johannes Juul (1887-1969) -

duński inżynier, student Poula la Coura. Zbudował w 1957 roku w Vester Egesborg (Dania) pierwszą siłownię wiatrową (200 kW)

konwertującą moc wiatru na prąd zmienny. Jest ona prekursorem dzisiejszych elektrowni wiatrowych.

Lata 70. i 80

pierwszy kryzys naftowy doprowadził do zmiany myślenia w polityce energetycznej. Zainteresowanie energiami alternatywnymi wzrosło i doprowadziło do powstania narodowych i międzynarodowych programów badawczych i rozwojowych.

Niemieccy i duńscy pionierzy opracowali pierwsze działające ekonomicznie siłownie wiatrowe, które przyczyniły

Wymiana ciepła Potencjał wiatru

Wiatr jest to ruch powietrza wynikający z :

•rotacji kuli Ziemskiej

•z nierównomiernego nagrzewania dużych obszarów powierzchni Ziemi przez Słońce

•zróżnicowanej absorpcji promieniowania słonecznego przez ląd i

morze

Wymiana ciepła

Co to jest wiatr i jak powstaje

Poziomy ruch mas powietrza w dolnej troposferze z wyżu do niżu nazywa się wiatrem.

Prędkość wiatru zależy od różnicy ciśnień – im wyższa różnica ciśnień tym większa prędkość wiatru.

Parametry wiatru:

kierunek

prędkość (m/s, km/godz, węzłach (mila morska/godz.) mskali Beuforta.

Wiatr to ruch powietrza wywołany przez różnice w nagrzewaniu

lądów i mórz, biegunów i równika oraz przez siłę Coriolisa.

Przyczyną powstawania wiatru jest więc różnica ciśnień wywołana różnicą temperatur.

Wszelkie ruchy powietrza na Ziemi wywołane są energią słoneczną. Promienie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi ogrzewają ją nierównomiernie (powierzchnia oraz kąt padania). Powietrze ogrzane nad gruntem szybko unosi się i tworzy prąd wstępujący, zasilający górne prądy. Następnie odpływanie powietrza na boki tworzy wiatry górne. W związku z tym zmniejsza się masa powietrza na powierzchnię ziemi i następuje obniżenie ciśnienia. Dołem napływa powietrze kierujące się do miejsca ogrzanego, o niskim ciśnieniu i jest to właśnie wiatr.

Jak powstaje wiatr

Rodzaje wiatrów

WIATRY STAŁE

pasat - stały wiatr strefy międzyzwrotnikowej; ciepłe i suche stałe ze względu na rozkład ciśnienia między zwrotnikami. Pasaty wieją od wyżów

zwrotnikowych w kierunku równika

lodowcowe - stały wiatr chłodny porywisty; obejmuje cienka warstwę \

powietrza; powietrze ochłodzone nad lodowcem staje się cięższe

w wyniku czego spływa grawitacyjnie wzdłuż zbocza lub doliny

bryzy – (fr. wiatry zmieniające swój kierunek w rytmie dobowym), wywołane różnym nagrzewaniem się lądu i morza lub jeziora. W dzień wieją znad morza (jeziora) na ląd, w nocy przeciwnie. Bryzami

nazywamy wiatry występujące na wybrzeżach mórz( jezior).

Bryzy to wiatry zmieniające kierunek dwa razy na dobę. Bryza morska i lądowa

Bryza dzienna

Rodzaje wiatrów

WIATRY LOKALNE

Halny, Fen, Fohn : wiatr spadający z wierzchołków pasma górskiego,

porywisty. ciepły i suchy. Powietrze przekraczające zaporę górską wznosi się

po stoku dowietrznym i wilgotnoadiabatycznie ochładza.

Wiatry dolinne i górskie – występują w dolinach i w kotlinach górskich w ciepłej porze roku, podczas bezchmurnych dni i przy stosunkowo niewielkich ruchach atmosfery. Wiatry dolinne i górskie zaliczają się do grupy wiatrów słabych i tylko czasami mogą osiągnąć prędkość ponad 10 m/s.

Rodzaje wiatrów

Rodzaje wiatrów

WIATRY SEZONOWE

monsuny - wiatry występujące w miejscach sąsiadowania ze sobą dużych

obszarów lądowych i morskich. Charakteryzują się dużą zmiennością kierunku na przełomie zimy/lata oraz zimy/lata. Wieją głównie w Azji południowo-

wschodniej, na północnych wybrzeżach Australii oraz w rejonie Zatoki

Gwinejskiej. Ich powstawanie związane jest z różnicami w prędkości

nagrzewania lądów i mórz.

Czynnik Charakterystyka Konsekwencje poziomy gradient

ciśnienia

pomiędzy obszarami Ziemi występują poziome różnice ciśnienia;

podstawowa siła powodująca poziomy ruch i wzrost jego prędkości; inne siły mogą ten ruch hamować, lub odkształcać jego kierunek różnica gęstości

powietrza

przy identycznym ciśnieniu masy powietrza mogą mieć różną temperaturę i wilgotność, a więc różnią się gęstością

powietrze cięższe ma tendencję do opadania- czynnik ten kształtuje wiatry górskie i

stokowe

siła Coriolisa siła wywołuje odchylanie toru ciał poruszających się ze składową poziomą względem wirującej Ziemi

odchylenie kierunku wiatru w prawo na półkuli północnej, a w lewo na półkuli południowej;

siła tarcia przy ruchach powietrza można wyróżnić dwa

rodzaje siły tarcia: między strumieniami powietrza i między strumieniem powietrza o powierzchnią Ziemi

zmniejszenie prędkości wiatru (cz. energii wiatru zamienia się w energię cieplną)

Czynniki kształtujące zmienność

wiatru

E _S = 4 ^. π ^. (R _S ) ^2. σ ^. T ⁴ = 3.82 ^. 10 ²⁶ W !!!

Moc Słońca jest to energia emitowana w ciągu jednej sekundy

Energia emitowana przez Słońce w jednostce czasu (moc)

Energia płynąca do Ziemi od Słońca w jednostce czasu

E _Z = E _S ^. π ^. (R _Z ) ² /4 ^. π ^. (R _ZS ) ² ≈1.7 ^. 10 ¹⁷ W = 170 000 TW !!!

Całkowita energia, którą przenosi w jednostce czasu promieniowanie słoneczne

przez jednostkową powierzchnię ustawioną prostopadle do promienia Ziemia-Słońce

S = E

_Z

/ π

^.

(R

_Z

)

²

= 1360 W/m

²

Cykl powietrzny w bilansie promieniowania słonecznego

PW m W

S W E

P 

_c

*  1352

₂

* 510072  10

⁹

 690  10

¹⁵

 690

TW P

P _w  0 . 3 %   2000

0.3% energii promieniowania słonecznego,

docierającego do powierzchni Ziemi, zamieniane jest na energię kinetyczną, co odpowiada mocy

Strumień energii

4

2

m

E   W

Strumień energii - porównanie

4

2

m E   W

Energia wiatru

023

2

.

0 W m

E   Energia geotermalna

5

2

.

2 kW m E  

Energia jądrowa

24

2

.

0 W m

E  

Energia wodna

Wymiana ciepła

Zmienność energii wiatru

Cechą energii wiatrowej jest jej zmienność, która dotyczy szerokiej skali czasu – od lat do sekund.

wieloletnią: na obszarach występują wyraźne różnice prędkości wiatru, między

kolejnymi latami. Prawdopodobnie są one wywołane następującymi zmianami

klimatycznymi

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Energia wiatru

Energia wiatru

roczną: energia wiatru jest zróżnicowana w zależności od pory roku. Roczna

zmienność siły wiatru jest dość dobrze przewidywalna, co pozwala wystarczająco

dokładnie prognozować wielkość energii, która zostanie wyprodukowana w ciągu

roku

dobową: cykliczność dobowa związana jest z powtarzającymi się zjawiskami

termicznymi (ruch powietrza spowodowany nagrzewaniem się ziemi w ciągu

dnia i wyziębieniem w nocy). Najmniejsza siła wiatru występuje w nocy, a

największa w ciągu dnia

Występowanie wiatru ma charakter stochastyczny. Prędkość wiatru w dużej mierze zależy od ukształtowania terenu (szorstkości) oraz od wysokości nad powierzchnią tego terenu.

Szorstkość terenu

Miejski

(z zabudową wysoką)

Typy szorstkości terenu

Otwarty

(z nielicznymi przeszkodami o małej wysokości),

Wiejski

(z zabudową niską

lub teren zalesiony)

Szorstkość terenu

Szorstkość terenu - przeszkody terenowe w postaci zadrzewienia (wysokość), pobliskie zabudowania mieszkalne. Im klasa szorstkości jest niższa na

Interesującym terenie, tym lepiej dla planowanej inwestycji.

Zalety i wady elektrowni wiatrowych

ZALETY WADY

- nie zanieczyszczają środowiska - „energia wiatru jest bezpłatna”

-mogą być budowane na nieużytkach -nowe miejsca pracy

- wysokie koszty inwestycji i eksploatacji -destabilizacja systemu energetycznego kraju

- zagrożenie dla ptaków

-konstrukcje amatorskie źródłem

infadźwięków

Elektrownia wiatrowa

- podczas obrotu wirnika turbiny wytwarza się moment obrotowy;

- skrzynia przekładniowa zwiększa liczbę obrotów a wał w skrzyni przekładniowej napędza generator;

- generowana energia elektryczna przepływa przez sterownik i przełączniki automatyczne;

- napięcie jest podnoszone do wartości pośredniej w transformatorze;

- za pomocą systemu sterowania okablowanie turbiny przekazuje energię elektryczną do transformatora

- w transformatorze napięcie ulega dostosowaniu do wartości stosowanej w sieciach energetycznych na jakie pracuje dana elektrownia.

- energia kinetyczna wiatru została zamieniona na energię mechaniczną a ta z

kolei na użyteczną energię elektryczną , która może siecią być przesłana do

miejsca docelowego

Powstanie siły nośnej wokół skrzydła

Siła, która jest przyczyną ruchu obrotowego wirnika elektrowni wiatrowej, powstaje analogicznie do siły nośnej, utrzymującej w powietrzu samoloty

Siła nośna

kierunek przepływu powietrza Kąt

natarcia

Założenia do obliczeń

Wirnik wiatraka znajduje się w ograniczonym obszarze przepływu ustalonego (wyjątek stanowi obszar zakreślany przez łopaty wirnika

Przepływ jest laminarny

Spełnione jest prawo ciągłości strugi i prawo Bernoulliego

Prawo Bernoulliego

Płyn płynąc w rurze o zmieniającym się przekroju ma mniejsze ciśnienie na odcinku gdzie przekrój jest mniejszy.

Płyn opływając ciało zanurzone w płynie wywołuje mniejsze ciśnienie od strony gdzie droga przepływu jest dłuższa.

const gh p

v

const pV

mv mgh













 2

2

2 2

Rozkład prędkości powitrza

Rozpatrując strugę w dwóch różnych przekrojach 1 i 2, równanie Bernoulliego ma postać

𝑚

₁

∙ 𝑣

₁²

2 + 𝑝

₁

∙ 𝑚

₁

𝜌 ∙ 𝑔 + 𝑚

₁

∙ 𝑔 ∙ ℎ

₁

= 𝑚

₂

∙ 𝑣

₂²

2 + 𝑝

₂

∙ 𝑚

₂

𝜌 ∙ 𝑔 + 𝑚

₂

∙ 𝑔 ∙ ℎ

₂

Źródłem mocy uzyskiwanej z wiatraka jest moc pobierana od przepływającego powietrza, co powoduje spadek prędkości powietrza, a więc pole przekroju strumienia powietrza dopływającego musi być mniejsze od pola przekroju powietrza za kołem wirnika

Rozkład ciśnienia i prędkości powietrza

𝜉 = Δ𝐸 𝐸 _𝑘0

DE – energia wykorzystana E_k0 – energia kinetyczna wiatru

Współczynnik wykorzystania energii wiatru

Rozkład sił działających na koło wirowe

Moment obrotowy silnika wiatrowego powstaje w wyniku działania Wiatru na łopaty wirnika

Siłę aerodynamiczną F

_a

na składową styczną do płaszczyzny obrotów wirnika F

_obw

oraz

składową normalną F

_os

. Poprzez składową styczną następuje obrót natomiast przez składową

normalną wywoływany jest nacisk osiowy przejmowany przez łożyska.

Rozkład sił na łopacie wirnika

𝑤 = 𝑣 ² + 𝑢 ²

Prędkość względna strugi powietrza

F

_a

– siła aerodynamiczna

𝐹 _𝑎 = 𝐹 _𝑦 ² + 𝐹 _𝑥 ²

F

_oś

– siła normalna (nacisk)

F

_obw

– siła leżąca w płaszczyźnie wirnika (obrót)

F

_x

– siła działająca w kierunku prędkości względnej,

powstałej na skutek naporu powietrza na łopatkę

F

_y

- siła prostopadła do prędkości względnej

Rozkład sił na łopacie wirnika

𝐹 _𝑥 = 𝐶 _𝑥 ∙ 𝜌 ∙ 𝑆 𝑤 ² 2

𝐹 _𝑦 = 𝐶 _𝑦 ∙ 𝜌 ∙ 𝑆 𝑤 ² 2

C

_x

, C

_y

– współczynnik aerodynamiczny siły oporu/ siły nośnej

S – pole powierzchni wycinka profilu

Powstanie siły napędzającej i hamującej obroty wirnika

) cos(   



 _a

os F

F

a y

F

 F

 cos

a x

F

 F



sin w

 u



cos w

 v



sin

 _{y x} 

a

os u F v F

F w

F     1    )

cos(  

Siła wywierająca nacisk osiowy

Powstanie siły napędzającej i hamującej obroty wirnika

𝐹 _𝑜ś = 𝐹 _𝑎 ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝛽 − 𝛼 = 𝐹 _𝑎 𝑐𝑜𝑠𝛽𝑐𝑜𝑠𝛼 + 𝑠𝑖𝑛𝛽𝑠𝑖𝑛𝛼 = = 𝐹 _𝑎 ∙ _𝑤 ^𝑢 ∙ ^𝐹 _𝐹

^𝑦

𝑎

+ _𝑤 ^𝑣 ∙ ^𝐹 _𝐹

^𝑥

𝑎

= ^𝑢∙𝐹

^𝑦

_𝑤 ^+𝑣∙𝐹

^𝑥

= ^𝑢∙𝐶

^𝑦

_𝑤 ^+𝑣∙𝐶

^𝑥

∙ ^𝜌𝑤 ₂

²

𝑙 ∙ 𝑠 ∙ 𝑖 = ^𝑢∙𝐶

^𝑦

^+𝑣∙𝐶

^𝑥

2 ∙ 𝜌 ∙ 𝑤 ∙ 𝑙 ∙ 𝑠 ∙ 𝑖

Powstanie siły napędzającej i

hamującej obroty wirnika

Szerokość łopatki

II zasada dynamiki

𝐹 _𝑜𝑠 ∙ 𝑡 = m ∙ 𝑣 ₀ − 𝑣 ₂ = π ∙ 𝑟 ∙ 𝑙 ∙ 𝜌 ∙ 𝑣 ₀ ² − 𝑣 ₂ ²

2

x y

os

C v C

i u s l w

F   









 

os

os F

F   

 ^{v C} _y ^{u C} _x 

i w

v v

s r

















 2   ^{0 2 2 2}

Zależność prędkości wiatru od wysokości



 

 



 



0

0 H

V H V _H

V

_H

– prędkość wiatru na wysokości H V

₀

– prędkość wiatru na wysokości H

₀

H

₀

– wysokość usytuowania wiatromierza dla pomiarów prędkości wiatru V

₀

H – wysokość dla której oblicza się prędkość wiatru

 – wykładnik potęgowy zależny od klasy szorstkości terenu

Prędkość wiatru nad podłożem rośnie tylko do pewnej wysokości określonej mianem wysokości wiatru gradientowego H

_G

, która zależy od klasy szorstkości terenu.

Obecnie nie ma jeszcze na świecie elektrowni wiatrowej, która osiągałaby najniższą

wysokość wiatru gradientowego, czyli 300 m. nad poziomem gruntu.

 3

0

0 



 



 

 H

E H E _H

E

_H

– energia wiatru na wysokości H E

₀

– energia wiatru na wysokości H

₀

 – wykładnik potęgowy zależny od klasy szorstkości terenu

Potencjał energetyczny wiatru na

różnych wysokościach

Podaż energii wiatru

Zasoby energii wiatru – energia pierwotna (energia surowa)

Zasoby energii wiatru są mierzone częstością występowania prędkości wiatru w zadanych przedziałach prędkości. Dla energetyki wiatrowej przedziały co pół metra Wiarygodne wyniki, reprezentatywne dla danego rejonu muszą być zbierane przez kilkanaście (kilkadziesiąt) lat np.30

Rozkład częstości występowania prędkości wiatru przedstawiany jest w postaci

histogramu.

 





 



 



 



 

 

 



 



 



 

 k

k

C w C

w C

w k

F ( ) exp

1

k - współczynnik kształtu

C – współczynnik skali

Prędkość startową - jest to prędkość niezbędna do uruchomienia turbiny i produkcji przez nią energii elektrycznej.

Prędkość nominalna jest to prędkość wiatru przy której turbina osiąg swoją moc nominalną.

Prędkość zatrzymania - jest to prędkość wiatru przy której system kontrolny turbiny zatrzymuje się ze względu bezpieczeństwa,

najczęściej prędkość ta ustalana jest na 25 m/s,

Parametry wiatru

jako zasobu energii

Parametry wiatru jako zasobu energii

Prędkość wiatru

Średnia prędkość wiatru

Rozkład występowania poszczególnych prędkości wiatru w czasie

3 2

2 2

2 2

2 1 2

1 A t v

x v v A

V v

m

Ek   

 D 



 













   

Energia strugi powietrza

Moc niezakłóconej strugi powietrza

3 3

2

2 A v

t v A dt

d dt

P dE 

 



 



  



  

Prawo Betza

maksymalna teoretyczna sprawność konwersji mocy wiatru na moc mechaniczną wynosi 59,3% oraz, że moc wiatru zmienia się

proporcjonalnie do trzeciej potęgi jego prędkości.

Prawo Alberta Betz’a

Masa powietrza jaka w ciągu 1 sekundy przepływa przez obszar wirnika

m - masa na sekundę;

 - gęstość powietrza;

A - powierzchnia jaką zakreśla wirnik;

v_s

- średnia prędkość wiatru przechodzącego przez wirnik.

) 2 (

1

0

v

2

v A v

A

m    

_s

    

v ₀

Prawo Alberta Betz’a

Moc odbierana od wiatru przez wirnik

) 2 (

1

₂

2 2

0

v

v t m

E t

P  W  D

^k

   ^{( )}

2 1

0

v

2

v A v

A

m     

_s

    

) )(

4 ( ^{0 2}

2 2 2

0 v v v

A v

P      ₃

0

0 2 A v

P   

Moc użyteczna w silniku wiatrowym Moc niezakłóconej strugi powietrza

Prawo Alberta Betz’a

) )(

4 (

^{0 2}

2 2 2

0

v v v

A v

P   

 

₃

0

0

2 A v

P 

 

 

 



 



 



 

 

 



 



 



 



0 2 2

0 2 0

1 2 1

1

v v v

v P P

wykres funkcji (P/Po) = f(v2 / v1)

maksimum równe 0,59 dla (v

₂

/ v

₁

) = 1/3.

Oznacza to, że idealnie skonstruowana turbina

wiatrowa podczas swojej pracy spowolni wiatr

do 1/3 jego pierwotnej wartości i odzyska z

niego 59 % energii w nim zawartej.

Moc użyteczna

Zgodnie z równaniem zachowania masy podczas zmiany pola przekroju poprzecznego przewodu następuje zmiana prędkości płynu

) )(

4 (

^{0 2}

2 2 2

0

v v v

A v

P   

 

3

1 2

v  v

3 0 2

3 0 max

,

27

2 27

8 A v d v

P

_u

        

Współczynnik wykorzystania wiatru

2

2

0

v

v

_s

v 

3

 2 A t v

0

Ek     

2 2 3

2 A t v

0

v E

_kt

   

 

k kt

E t  E



Wirnik siłowni wiatrowej daje moc, gdy pobiera mocy od przepływającego powietrza.

Zmniejszenie prędkości wiatru na skutek przejścia przez koło wiatrowe.

Zmiana prędkości wiatru przed i za wirnikiem turbiny wiatrowej oraz PZC powoduje aby przekrój strumienia powietrza odpowiedni. Dlatego przekrój strumienia powietrza dopływającego do koła wiatrowego musi być odpowiednio mniejszy od przekroju strumienia powietrza Na skutek stopniowego zahamowania wiatru w pewnej odległości od wirnika występuje spiętrzenie ciśnienia powietrza a za wirnikiem występuje zmniejszenie ciśnienia powietrza, które dopiero na pewnej odległości wyrównuje się z ciśnieniem otoczenia.

v

₁

p₁ v₁

Produkcja energii elektrycznej w elektrowni wiatrowej

 

 

   

 





 



























 



, ,

0 0

, 2 ,

1

1

0 max 1

0

3

c a

c b

b a e

R

V V

V dla

V V V

dla sdt

P

V V V

dla sdt

V A C

E



C_e – sprawność elektryczna turbozespołu wiatrowego [%]

V– prędkość wiatru

A– powierzchnia omiatana wirnikiem turbozespołu wiatrowego P_max – wyjściowa moc maksymalna turbozespołu wiatrowego dla nominalnej prędkości wiatru

– gęstość powietrza zależna od ciśnienia powietrza i jego temperatury s- współczynnik strat

V_a –minimalna początkowa prędkość wiatru potrzebna do uruchomienia turbiny V_b – nominalna prędkość wiatru umożliwiająca uzyskanie mocy maksymalnej V_c –maksymalna prędkość wiatru powodująca zatrzymanie turbiny

(tzw. funkcja STOP)

t – czas pracy turbozespołu wiatrowego

 

 

   

 





 



























 



, ,

0 0

, 2 ,

1

1

0 max 1

0

3

c a

c b

b a e

R

V V

V dla

V V V

dla sdt

P

V V V

dla sdt

V A C

E



•mikro elektrownie wiatrowe elektrownie, których moc znamionowa wynosi poniżej 1kW.

Zazwyczaj działają one na wydzielone obwody sieci elektrycznej, używane np. do ładowania baterii akumulatorów,

•małe elektrownie wiatrowe - elektrownie, których moc znamionowa wynosi od 1kW do 100kW.

Używane zazwyczaj do zasilania pojedynczych gospodarstw domowych, a nawet małych firm.

Najbardziej popularne z tej kategorii są elektrownie wiatrowe o mocy mieszczącej się pomiędzy 3-5kW,

duże elektrownie wiatrowe: elektrownie, których moc znamionowa wynosi powyżej 100kW. Silniki wiatrowe takiej mocy mogą zasilać nie tylko poszczególne domy ale też w praktyce służą do

wytwarzania energii elektrycznej, która jest sprzedawana lokalnemu operatorowi sieci

elektroenergetycznej. W celu zwiększenia wydajności wytwarzanej energii stawia się kilka takich turbin wiatrowych w niewielkiej odległości od siebie, tworząc farmę wiatrową. Jednak przed przyłączeniem jej do sieci elektroenergetycznej muszą zostać przeprowadzone odpowiednie pomiary w celu oceny parametrów jakości dostarczanej energii.

Podział elektrowni wiatrowych

Rodzaje turbin

Wyróżnik szybkobieżności

Cecha charakteryzującą napęd siłowni wiatrowej jest wyróżnik szybkobieżności z, który jest stosunkiem prędkości obwodowej wirnika U do prędkości wiatru

0

0 2v

d v

z U 





Typy turbin

Wolnobieżne z<1.5 (bębnowe, karuzelowe, rotorowe) Średniobieżne 1.5<z<3.5 (wielopłatowe, wiatraki)

Szybkobieżne z>3.5 (silniki śmigłowe, pnemony Derrieusa)

Efekt Magnusa

w siłownia wiatrowych

Efekt Magnusa

w siłownia wiatrowych

Ponieważ walce wirnika stawiają większy opór niż skrzydła o profilu lotniczym, nadają się tylko do wiatraków wolnoobrotowych. Jednak pomimo niższych obrotów wiatraki z

wirnikami Magnusa uzyskują wystarczającą moc dzięki znacznie większemu momentowi obrotowemu.

Niska prędkość obrotowa wiatraków z wirnikami Magnusa, jest wielką zaletą - takie wiatraki nie wytwarzają szkodliwych infradźwięków

- stanowią mniejsze zagrożenie dla ptaków

Bardzo ważną zaletą jest ich duża odporność na zniszczenie przez zbyt silny wiatr. Zatrzymanie walców w wyniku awarii automatycznie powoduje

zaniknięcie siły ciągu i zatrzymanie wiatraka.

Elektrownie wiatrowe w Polsce

Produkcja z energii wiatru:

- 2004: 142,3 [GWh], - 2005: 135,3 [GWh], - 2006: 388,4 [GWh]

- 2007: 494,2 [GWh]

- 2008: 790,2 [GWh]

- 2009: 1 029 [GWh]

- 2010: 1 485 [GWh]

Udział generacji wiatrowej w krajowym zużyciu energii elektrycznej:

- 2004: 0,1% (142GWh/ 144TWh), - 2005: 0,09% (135GWh/ 145TWh), - 2006: 0,26% (388,4GWh/ 149TWh), - 2007: 0,32% (494,2GWh/ 154TWh), - 2008: 0,51% (790,2GWh/ 153TWh).

- 2009: 0,69% (1029 GWh/ 148,7TWh).

- 2010: 0,96% (1485 GWh/ 155TWh).

Moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w Europie na koniec 2010

Łączna moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w Unii Europejskiej wynosiła na koniec 2010 r. – 84 GW wobec 74 GW na koniec 2009 r.

Największą zainstalowaną moc mają Niemcy przed Hiszpanią, Włochami, Francją i W. Brytanią. Polska na

koniec roku 2010 ma zainstalowane jedynie 1107 MW mocy w

energetyce wiatrowej