Przeczytaj też "Elektrownie wiatrowe żyłą złota na polskiej ziemi?"

Prędkość wiatru, a więc i energia jaką można z niego czerpać, ulega zmianom dziennym, miesięcznym i sezonowym. Szczęśliwie zarówno w cyklu dobowym jak i sezonowym (lato-zima) obserwuje się korzystną zbieżność miedzy prędkością wiatru a zapotrzebowaniem na energię. Dodaje to wartości energii uzyskiwanej z wiatru, gdyż często jest dostępna wówczas, gdy jest potrzebna. Pozwala to na częściowe wypieranie z sieci energetycznej mocy tradycyjnych elektrowni, co przekłada się na redukcję emisji spalin. Jednak aby ten efekt stał się odczuwalny łączna moc zainstalowana elektrowni wiatrowych powinna być mierzona przynajmniej setkami megawatów. W Polsce w chwili obecnej (maj 1999 r.) łączna moc zainstalowanych elektrowni wiatrowych wynosi zaledwie ok. 4 MW, co stawia nas na szarym końcu nie tylko europejskiej listy.

Wiatr jest czystym źródłem energii, nie emitującym żadnych zanieczyszczeń. W korzystnych warunkach wiatrowych (przy prędkości średniej długoterminowej V>5.5 m/s na wysokości wirnika) cena jednostkowa energii pochodzącej z tego źródła może być i często jest niższa od ceny energii z konwencjonalnych elektrowni cieplnych. Postępujący rozwój technologii elektrowni wiatrowych powoduje dalszy spadek kosztów energii i czyni sektor energetyki wiatrowej jeszcze bardziej atrakcyjnym dla inwestorów.

Przemysł energetyki wiatrowej tworzy nowe miejsca pracy dla wysoko kwalifikowanych pracowników, rozwija nowoczesne technologie i stwarza nowe możliwości eksportowe. Polskie przedsiębiorstwa są zainteresowane działalnością w tej dziedzinie, o czym mogą świadczyć istniejące rodzime konstrukcje oraz duże zainteresowanie kooperacją z zachodnimi producentami elektrowni wiatrowych.

Budowę elektrowni wiatrowej ilustruje rysunek 1, natomiast na rysunku 2 przedstawiono budowę profesjonalnej elektrowni wiatrowej o mocy 2 MW pracującej na potrzeby sieci energetyki zawodowej.

Najważniejszym elementem siłowni wiatrowej jest wirnik przekształcający energię wiatru w energię mechaniczną przekazywaną do generatora. Zazwyczaj wykonuje się wirniki trójpłatowe (rzadziej dwupłatowe). Większość płatów wykonana jest z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem. Każda łopata składa się z dwóch

Rys. 2. Budowa elektrowni wiatrowej (model V80-2.0MW firmy Vestas)

1) kontroler 2) siłownik mechanizmu przestawiania łopat 3) główny wał 4) chłodnica oleju 5) skrzynia przekładniowa 6) wieloprocesorowy układ sterowania 7) hamulec postojowy 8) dĄwig dla obsługi 9) transformator 10) piasta łopaty 11) łożysko łopaty 12) łopata 13) układ hamowania wirnika 14) układ hydrauliczny 15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika 16) pierścień układu kierunkowania 17) fundament 18) koła zębate układu kierunkowania 19) generator 20) chłodnica generatora powłok przymocowanych do belki nośnej.

Systemy izolowane są całkowicie niezależnymi Ąródłami energii, w których stosowane są prądnice prądu stałego lub małe trójfazowe prądnice, często z magnesami trwałymi. Pracują one przy zmiennej prędkości obrotowej. Układy takie zawierają najczęściej baterię akumulatorów do gromadzenia energii, regulatory napięcia, falowniki do inwersji prądu stałego na jedno- lub trójfazowy. Elektrownie z prądnicą prądu stałego wymagają zastosowania regulatora napięcia oraz akumulatorów do gromadzenia energii (rys.3), a dodatkowo falownika, aby uzyskać prąd zmienny (rys.4).


Rys. 3. Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu stałego
>

Rys. 4. Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu stałego

Użycie generatora prądu zmiennego również pozwala na uzyskanie odpowiedniej jakości energii prądu stałego po uprzednim wyprostowaniu i regulacji napięcia, co ilustruje rysunek 5. Ponieważ prędkość obrotowa turbin elektrowni autonomicznych zmienia się wraz ze zmianami prędkości wiatru, nie mogą one zapewnić napięcia zmiennego o odpowiedniej, niezmiennej wartości częstotliwości i amplitudy. Dlatego muszą one mieć pośredni obwód prądu stałego i falownik, dla uzyskania odpowiednich parametrów napięcia zmiennego (rys.6). Zakres napięć nominalnych przy jakich pracują układy autonomiczne to (12-230) V prądu stałego bądź zmiennego.


Rys. 5. Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu zmiennego


Rys. 6. Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu zmiennego

W elektrowniach lub farmach wiatrowych pracujących na potrzeby energetyki zawodowej najczęściej wykorzystywana jest prądnica asynchroniczna (rys.7).


Rys. 7. Schemat najczęściej stosowanego układu w energetyce zawodowej

Energia elektryczna produkowana w takich elektrowniach musi mieć takie same parametry (częstotliwość i napięcie) jak sieć, z którą elektrownia wiatrowa współpracuje. Zwykle prędkość obrotowa turbiny utrzymywana jest na stałym poziomie, jednak stosuje się też układy pracujące ze zmienną prędkością obrotową. Dla zwiększenia rocznej produkcji energii stosowane są dwa generatory, z których jeden pracuje przy dużych prędkościach wiatru, zaś drugi przy słabszych wiatrach. Inne rozwiązanie to generatory o przełączanej (regulowanej) liczbie par biegunów. Daje to również możliwość pracy przy różnych prędkościach obrotowych generatora. W czasie rozruchu generatory łączone są do sieci przez układy tyrystorowe, które następnie są bocznikowane stycznikami.

Uwarunkowania wykorzystania energii wiatru

Szacuje się, że na 1/3 powierzchni Polski istnieją odpowiednie warunki dla wykorzystania energii wiatru, a produkcja energii elektrycznej z wiatru może osiągnąć nawet 17 proc. bilansu energetycznego kraju. W chwili obecnej w Polsce pracuje 29 elektrowni wiatrowych o łącznej mocy 10 MW.

Z budową siłowni wiatrowych wiąże się jednak kilka problemów. Są one uzależnione od dość nieprzewidywalnego źródła energii. Zanim przystąpi się do budowy, muszą być przeprowadzone żmudne i kosztowne badania wietrzności. Trwają one minimum dwa lata, a w praktyce nawet 3-5 lat.

Inny problem, to nieprzewidywalność dostaw energii. Gdy wiatr wieje zbyt słabo, energii brakuje. Zbyt mocne podmuchy także są niekorzystne. Efektem są zawirowania w dostawach energii, co jest kłopotliwe w okresach szczytowych poborów mocy. Aby to zmienić, potrzebne byłoby uzupełnienie źródeł energii szybko uruchamianymi turbinami gazowymi.

Kolejnym problem jest zagrożenie dla tras przelotów ptaków. Z badań międzynarodowej organizacji ekologicznej Pro Animals wynika, że w wielu miejscach trasy migracji ptaków krzyżują się, a nawet pokrywają z miejscami najlepiej sprzyjającymi budowie farm wiatrowych. Efektem jest zagłada dużej ilości ptaków.

Budowa wiatraków przynosi jednak także wymierne korzyści. Z naturalnych względów elektrownie wiatrowe lokalizowane są najczęściej w pobliżu akwenów lub wprost na nich. W naszym kraju oznacza to, że wiatraki powinny być budowane głównie na północy kraju, gdzie występuje problem niedostatku energii, której źródła są na południu. Budując wiatraki uniknęlibyśmy budowy kosztownych linii przesyłowych.

Wiatraki to dobra inwestycja

Budowa farmy wiatrowej gwarantuje wysoki zwrot z kapitału. Instytucje finansowe chętnie angażują się w takie inwestycje i akceptują wysoką dźwignię finansową. Problemem jest jednak duża ilość czasochłonnych formalności związanych z budową i uruchomieniem farmy.

Pieniądze na inwestycję nie są problemem

Inwestycja w 1 MW energii z wiatru wynosi ok. 1,5 mln euro. Zdobycie funduszy na ten cel nie jest problemem. Przy obecnych możliwościach finansowania wystarczy kapitał w wysokości 5 proc. wartości inwestycji. 15 proc. wyłoży inwestor finansowy, a na pozostałe 80 proc. można dostać kredyt . W 2008 r. roku ma również ruszyć nabór wniosków o unijne dotacje na budowę farm (działanie 9.4 programu operacyjnego "Infrastruktura i środowisko").

Wewnętrzna stopa zwrotu z inwestycji w części deweloperskiej (sprzedaż gotowej farmy) wynosi 25 - 40 proc., zaś eksploatacyjnej 15 - 20 proc. Tak duża zyskowność wynika m.in. z tego, że ceny energii z OZE należą w Polsce do najwyższych w Europie - za sprzedaż 1 MWh energii właściciel farmy może uzyskać do 110 euro, podczas gdy w Niemczech tylko 80, a w Holandii nawet 70 euro.

Najważniejsza jest lokalizacja.

Turbina powinna pracować przynajmniej 2 tys. godzin w roku. Do niedawna minimalna prędkość wiatru przy tego typu inwestycjach musiała wynosić 6 m/s, ale najnowsze turbiny zapewniają opłacalność przedsięwzięcia już przy prędkości 5 m/s. To pozwala na rozwijanie inwestycji także poza polskim Wybrzeżem, gdzie do tej pory powstało najwięcej farm.

Wybór właściwej lokalizacji wiąże się z pierwszym dużym wydatkiem, czyli pomiarem wiatru, co wymaga budowy masztu wysokości 40 m i kosztuje ok. 150 tys. zł. Wyniki pomiaru są jednym z tych dokumentów, które trzeba mieć ze sobą, rozpoczynając starania o kredyt.

Trzeba być cierpliwym

Od momentu znalezienia lokalizacji do uruchomienia wiatraka upływa średnio pięć lat. Prawdziwym problemem jest zdobycie wszystkich pozwoleń, których jest w sumie ok. 60 (od oceny oddziaływania na środowisko - w tym na ptaki i wykopaliska - po pozwolenia od lotnictwa i warunki przyłączenia do sieci). Może zająć to nawet trzy lata.

Największym wydatkiem przy inwestycji w farmę wiatraków jest zakup turbiny - pochłania ok. trzech czwartych funduszy. Żywotność turbiny wynosi ponad 20 lat, a inwestycja zwraca się przy dobrej wietrzności po czterech - pięciu latach, gdy zaś wiatr wieje słabiej (np. na południu Polski) - po ok. siedmiu - ośmiu latach. Zakup turbiny nie jest jednak tylko kwestią pieniędzy, ale i czasu - na jej dostawę trzeba czekać zwykle trzy - cztery lata.

Elektrownie wiatrowe - przegląd sytuacji

Nr	Miejscowość	Moc
1	Dąbrowa	200 kW
2	Nowogard	225 kW
3	Zagórze	30 MW
4	Jagniątkowo	30,6 MW
5	Tymień	50 MW
6	Cisowo	18 MW
7	Barzowice	5 MW
8	Zajączkowo i Widzino (w budowie)	90 MW
9	Zwarcienko	320 kW
10	Starbienino	250 kW
11	Lisewo	10,8 MW
12	Lisewo	150 kW
13	Połczyno	1,6 MW
14	Swarzewo	1,2 MW
15	Puck	22 MW
16	Bogatka	850 kW
17	Malbork (w budowie)	18 MW
18	Kisielice	40,5 MW
19	Wrocki	160 kW
20	Kłonowo	450 kW
21	Zagorzyce	750 kW
22	Sokoły	600 kW
23	Kramsk	750 kW
24	Kwilcz	160 kW
25	Sosnowiec	160 kW
26	Słup	160 kW
27	Kamieńsk	30 MW
28	Rembertów	250 kW
29	Chwałowice	300 kW
30	Mielec	250 kW
31	Zawoja	160 kW
32	Rytro	160 kW
33	Pielgrzymka	150 kW
34	Sieniawa	600 kW
35	Wróblik Szlachecki	320 kW
36	Wiżajny	600 kW