ZASTOSOWANIE ENERGII WIATRU

5/13/2018 ZASTOSOWANIE ENERGII WIATRU - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/zastosowanie-energii-wiatru 1/12

ZASTOSOWANIE ENERGII WIATRU - TURBINY WIATROWE

OPŁACALNOŚĆ STOSOWANIA ELEKTROWNI WIATROWYCH W DOMACHJEDNORODZINNYCH

Ktoś, kto kiedyś wymyślił zwrot "walka z wiatrakami" jako określenie bezsensownejbatalii przeciwko czemuś, co i tak musi nastąpić, nawet nie przypuszczał, że będzieto miało kiedyś bezpośrednie znaczenie. Obecnie walka z wiatrakami, w dosłownymtego słowa znaczeniu, mija się z celem gdyż bez żadnego oporu podbijają onekolejne kraje świata oraz serca ich mieszkańców.

1. Zastosowanie energii wiatru - rys historyczny

Energia wiatru znajduje zastosowanie od bardzo dawnych czasów. Już 4000 lat temustarożytni Babilończycy pompowali wodę przy pomocy wiatraków, nawadniając pola i

osuszając mokradła, o wiele wcześniej zaś wykorzystywano wiatr w żegludze [1].OdVI wieku naszej ery Persowie mielili ziarno, używając młynów wiatrowych, czyliwiatraków. W przeciwieństwie do konstrukcji, które rozpowszechniły się w Europie,perskie wiatraki miały skrzydła poruszające się w płaszczyźnie poziomej napionowym wale. Dolny koniec wału przytwierdzony był do kamienia młyńskiego, któryrozcierał ziarno na mąkę. Wczesne wiatraki europejskie były wiatrakami obrotowymi,czyli kołowymi. Ustawienie takiego wiatraka można było zmieniać stosownie dokierunku wiatru. Skrzydła poruszały się w płaszczyźnie niemal pionowej, akonstrukcja wiatraka była osadzona na centralnym słupie. Z tyłu wystawał długi drąg.Gdy zmieniał się kierunek wiatru, młynarz za pomocą tego drąga obracał wiatrak tak,aby znów łopaty skierowane były do wiatru. W ciągu wielu lat pomysłowi młynarzewymyślili sposoby wykorzystania energii wiatru także do innych celów. Na przykład,dzięki systemowi przemyślnych przekładni, wiatrak podnosił worki z ziarnem.Holendrzy zaczęli używać wiatraków do osuszania terenów nadmorskich, a w innychkrajach do nawadniania pól. W VIII wieku w Europie pojawiły się duże wiatraki 4-skrzydłowe, w których budowie wyspecjalizowali się Holendrzy. Największą rolęenergia wiatru odgrywała w XVI wieku, ogólna moc młynów napędzanych wiatremwynosiła 1 TW.Przełomowym momentem w dalszym rozwoju siłowni wiatrowych byłoskonstruowanie w 1769 r. przez James’a Watt’a pierwszej maszyny parowej. Wkońcu XIX wieku siłownie wiatrowe przestały już być doskonalone, a jednocześnie wDanii funkcjonowało ponad 30 000 młynów i mniej więcej tyle samo wiatraków było w

Holandii [2].W czasie zimy 1887-88 Charles F. Brush zbudował pierwszą samoczynnie działającą siłownie wiatrową produkującą energię elektryczną. Był on jednym z pionierów amerykańskiego przemysłu elektrotechnicznego. Jego firmaBrush Electric, połączyła się w 1892 r. z Edison General Electric Company tworzącGeneral Electric (GE), który dzisiaj jest jednym z największych koncernów naświecie. Jak na owe czasy turbina Brush'a była imponująca: wirnik miał średnicę 17metrów i składał się ze 144 łopat zrobionych z drzewa cedrowego. Pracowała onaprzez 20 lat, ładując akumulatory znajdujące się w piwnicy jego posiadłości. Moc jakna rozmiary urządzenia nie była imponująca - 12 kW, głównie za sprawą wolnoobrotowego, wielołopatowego wirnika. Dopiero kilka lat później Poul la Cour (1846-1908) odkrył, że znacznie wydajniejsze dla generatorów elektrycznych są

wirniki o kilku łopatach [4]. Pomimo wszystkich zalet, wiatraki miały poważne wady.Ich działanie było ściśle uzależnione od pogody, więc w dni bezwietrzne jak i takie,



gdy wiatr był bardzo silny wiatraki nie mogły pracować. Do 1940 roku Dania miałaponad 1300 działających generatorów wiatrowych. W tym samym okresie w USAzbudowano około 6 milionów takich generatorów. Turbiny wiatrowe były dlamieszkańców wsi w ówczesnych czasach jedynym dostępnym źródłemelektryczności. W 1960 roku na świecie wykorzystywano ponad 1 milion siłowni

wiatrowych [2]. Ponowny wzrost zainteresowania szerszym wykorzystaniem energiiwiatru nastąpił po kryzysie energetycznym w 1973 roku. Od tego czasu powstało naświecie tysiące instalacji wykorzystujących wiatr do produkcji energii elektrycznej. Oopłacalności tych instalacji decyduje duża prędkość wiatru i stałość jegowystępowania w danym miejscu. Dlatego elektrownie wiatrowe są zazwyczajbudowane na terenach nadmorskich i podgórskich.

Współcześnie szybki rozwój energetyki wiatrowej następuje zwłaszcza na terenieEuropy. W roku 2004 w krajach starej Unii Europejskiej moc zainstalowanaelektrowni wiatrowych zwiększyła się o 20,3% w stosunku do roku 2003 i wynosiła 34366 MW - blisko trzy czwarte światowej mocy zainstalowanej.

Rys. 1. Produkcja energii wiatrowej na świecie

Europejskim liderem w wykorzystywaniu energii wiatru pozostają Niemcy, które w2001 roku dysponowały aż 46,1% światowej mocy zainstalowanej, jednak w roku2004 najwięcej mocy zainstalowanej przybyło w Hiszpanii – kraju o ponadprzeciętnejprędkości wiatru (do 10 m/s) i znakomitych warunkach do rozwoju energetykiwiatrowej. Spośród nowych członków UE największą ilość mocy zainstalowanej –68,1 MW - posiada Polska, jednak w roku 2004 nasz kraj zwiększył swój potencjałtylko o ponad 11%, podczas gdy w innym nowym państwie Unii – w Estonii – zasobymocy zainstalowanej wzrosły aż o 583,8% [1].

2. Energia wiatru

Wiatr jest odnawialnym źródłem energii (OŹE), a energia wiatru jest „de facto”odmianą energii słonecznej. Światowe zasoby energii wiatru, które nadają się do

wykorzystania z technicznego punktu widzenia, to 53 tys. TWh/rok. Ta ilość energii jest 4 razy większa niż wynosiło globalne zużycie energii elektrycznej w 1998 roku[3.]

Co to jest wiatr?

Wiatr jest to ruch powietrza spowodowany różnicą gęstości ogrzanych mas powietrzai ich przemieszczaniem ku górze. Powoduje to różnicę ciśnień, a naturalna tendencjado ich wyrównywania powoduje powstawanie wiatru [4].

Jak powstaje wiatr?



Do różnych obszarów Ziemi dociera różna ilość promieniowania słonecznego. Jakwiadomo, okolice równika nagrzewają się o wiele bardziej niż strefy okołobiegunowe.Gdy lekkie, gorące powietrze z rejonu równika „ucieka” w górę, na jego miejscenapływają fale chłodnego powietrza znad biegunów. Tak powstaje wiatr - ruchpowietrza, spowodowany różnicami temperatur i ciśnień, a także działaniem

związanej z obrotowym ruchem Ziemi siły Coriolisa. Gdyby niezakrzywiająca tor wiatru siła Coriolisa, zwana też geostroficzną, powietrze przemieszczałoby się w liniiprostej, wędrując od obszarów wysokiego ciśnienia ku terenom o ciśnieniu niskim [1].

Rodzaje wiatrów

Najniższe ciśnienie panuje nad równikiem. Powietrze, które odpływa znad tego„równikowego pasa ciszy” opada następnie na ziemię w okolicach zwrotników(szerokość geograficzna mniejsza niż 30o), a stamtąd rozprzestrzenia się na północ ina południe w postaci stałych wiatrów zachodnich i zwanych też pasatami stałychwiatrów wschodnich. To jednak nie te, globalne wiatry, lecz charakterystyczne dla

danego obszaru wiatry lokalne mają największy wpływ na pogodę na danym terenie.Polskim wiatrem lokalnym jest występujący w Sudetach i Karpatach wiatr halny, który jest jednocześnie przykładem wiatru górskiego, powstającego ze względu na różnicew nagrzewaniu się stoków górskich i dolin. W dzień wyższe temperatury panują nagórskich zboczach, podczas gdy nocą to doliny zatrzymują więcej ciepła [1].

Zmienność energii wiatru

Najbardziej istotną cechą energii wiatrowej jest jej duża zmienność, zarówno wprzestrzeni (geograficzna) jak i w czasie. Zmienność wiatru w czasie dotyczy bardzoszerokiej skali czasu - od sekund do lat. Wyróżnia się następujące rodzajezmienności energii wiatru w czasie:

Wieloletnią: na niektórych obszarach obserwuje się wyraźne trendy zmian(prawdopodobnie związane z postępującymi zmianami klimatycznymi). Na ogółwystępują wyraźne różnice o charakterze przypadkowym między kolejnymi latami,także wtedy, gdy badamy uśrednione warunki wiatrowe na dużych obszarach.

Roczną: w warunkach Polski średnia siła wiatru jest bardzo mocno zróżnicowana wzależności od pory roku. Rysunek poniżej pokazuje jak w warunkach duńskichwygląda typowy rozkład energii wiatru dla poszczególnych miesięcy roku (polskie

wybrzeże ma prawdopodobnie zbliżony rozkład). Istotne jest, że zmienność energiiwiatru w tej skali czasu jest dość dobrze przewidywalna. To pozwala wystarczającodokładnie prognozować wielkość energii, która zostanie wyprodukowana w ciąguroku. Innym ważnym wnioskiem jest to, że energia wiatru jest największa wmiesiącach od listopada do marca, czyli wtedy, gdy w warunkach polskich jest onanajbardziej potrzebna. Rys. 2. Energia wiatru w poszczególnych miesiącach roku (wykres powstał napodstawie pomiarów na terenie Danii, ale jest wspólny dla klimatu umiarkowanego)[3].



Synoptyczną: zmienność kilkudniowa związana ze zjawiskami atmosferycznymidużej skali (przesuwanie się ośrodków wyżowych i niżowych). Zmienność ta macharakter przypadkowy i jest trudno przewidywalna.

Dobową: w wielu miejscach pomiary prędkości wiatru wykazują cykliczność o okresie

jednej doby. Jest ona związana z lokalnymi powtarzającymi się zjawiskamitermicznymi (np. nagrzewaniem się ziemi w ciągu dnia, oziębianiem w nocy iwywołany tym ruch powietrza). W warunkach Polski należy oczekiwać dość dobregodopasowania się zmian dobowych energii wiatru do zmian zapotrzebowania naenergię w domu. Najmniejsza energia wiatru występuje w nocy, maksimum w środkudnia.

Rys. 3. Typowa zmienność prędkości wiatru w ciągu doby [3].

Minutowa, sekundową: za te zmiany odpowiadają turbulencje i podmuchy wiatru,przechodzący front burzowy itp. Tego typu zmiany mają charakter przypadkowy, są

nieprzewidywalne i należy je traktować jako zakłócenia. Minimalizacjeniekorzystnego wpływu zakłóceń wiatru na prace elektrowni wiatrowej mogą zapewnić odpowiednie układy regulacji. Zjawiska powodujące zmienność sekundową są słabo skorelowane nawet w obrębie jednej farmy. Dlatego moc całej farmywiatrowej wykazuje mniejsze względne zmiany mocy niż pojedyncza przydomowasiłownia wiatrowa [3].

3. Turbiny wiatrowe

Efektywność turbin wiatrowych

Gdybyśmy chcieli odzyskać całą energię, jaką niesie wiatr, powietrze nie mogłobyopuścić wirnika. Nie uzyskalibyśmy wtedy jednak żadnej energii, gdyż powietrze niemogłoby również wpaść w obszar wirnika. Okazuje się, że najbardziej efektywna jestturbina, która spowalnia wiatr do 2/3 jego początkowej prędkości - prawo Betz'a,podstawowe prawo aerodynamiki turbin wiatrowych [3].

Moc wiatru zmienia się proporcjonalnie do trzeciej potęgi jego prędkości [3]. Zgodniez prawem Betz'a maksymalna teoretyczna sprawność zamiany mocy wiatru na mocmechaniczną wynosi 59,3%. Turbiny wiatrowe wykorzystują mniej niż 50% mocywiatru. Jeżeli przyjmiemy, że gęstość prawdopodobieństwa prędkości wiatru jest

opisana rozkładem Weibulla (założenie słuszne dla typowej lokalizacji elektrowniwiatrowej) i uwzględnimy proporcjonalność mocy wiatru do sześcianu jego prędkościto uzyskamy funkcje rozkładu gęstości mocy [3].

Rys. 4. Rozkład gęstości mocy w funkcji prędkości wiatru [3].

W związku z zależnością od sześcianu prędkości, natura wiatru ma zasadniczywpływ na wszystkie aspekty procesu konwersji energii wiatru na energię elektryczną,począwszy od wyboru lokalizacji i wyznaczania opłacalności inwestycji, poprzezrozwiązania techniczne turbin, przekładni mechanicznych i generatorów aż poproblemy integracji np. z siecią elektroenergetyczną.

Żeby móc wykorzystywać energię wiatru do produkcji prądu niezbędne są odpowiednie warunki, to znaczy stałe występowanie wiatru o określonej prędkości.



Elektrownie wiatrowe pracują zazwyczaj przy wietrze wiejącym z prędkością od 5 do25 m/s, przy czym prędkość od 15 do 20 m/s uznawana jest za optymalną. Zbyt małeprędkości uniemożliwiają wytwarzanie energii elektrycznej o wystarczającej mocy,zbyt duże zaś – przekraczające 30 m/s – mogą doprowadzić do mechanicznychuszkodzeń wiatraka.

Wady i zalety siłowni wiatrowej

Energia wiatru jest odnawialnym źródłem energii – nie wyczerpywalnym i niezanieczyszczającym środowiska. Nie znaczy to jednak, że jest dla środowiskaneutralna. Jak się okazuje, elektrownie wiatrowe mogą wywierać negatywny wpływna otoczenie – na ludzi, na ptaki, na krajobraz. Problemem jest na przykładwytwarzany przez turbiny wiatrowe stały, monotonny hałas o niskim natężeniu,niekorzystnie oddziaływujący na psychikę człowieka. By zneutralizować jego wpływ,wokół masztów elektrowni wiatrowych wyznacza się strefę ochronną o szerokości500 metrów (w przypadku małych, pojedynczych wiatraków odległość ta jest

znacznie mniejsza i praktycznie wysokość masztu, na którym zainstalowany jestwirnik, w zupełności wystarcza). Inna kwestia to niebezpieczeństwo, stwarzane przezelektrownie wiatrowe dla ptaków. Mimo, że zdania naukowców w tej sprawie są podzielone i - jak utrzymują niektórzy – migrujące ptaki umieją omijać elektrownie,inni szacują, że farma wiatrowa o mocy 80 MW może zabić nawet 3500 ptaków wciągu roku. Na koniec wspomnieć należy także o ujemnym wpływie wywieranymprzez elektrownie wiatrowe na krajobraz: zajmują one duże powierzchnie izlokalizowane są często w turystycznych rejonach nadmorskich i górskich.

Podział elektrowni wiatrowych

Ze względu na moc:

Ze względu na moc elektrownie wiatrowe dzieli się na "mikro", "małe" i "duże". Dozasilania domów stosuje się głównie dwa pierwsze rodzaje.

- Mikroelektrownie wiatrowe – o mocy poniżej 100 W. Używa się ich najczęściej doładowania baterii akumulatorów stanowiących zasilanie obwodów wydzielonych -tam, gdzie nie ma sieci elektroenergetycznej, lub z jakiegoś powodu nie chce się zniej korzystać. Takie elektrownie można wykorzystać do zasilania przez akumulatoryczęści oświetlenia domu: pojedynczych lamp, a nawet poszczególnych pomieszczeń

czy urządzeń.

- Małe elektrownie wiatrowe - o mocy od 100 W do 50 kW. Elektrownie z tej grupymogą zapewniać energie elektryczna w pojedynczych gospodarstwach domowych, anawet w małych firmach. W warunkach przydomowych najpopularniejsze są elektrownie 3-5 kW. Moc takich elektrowni, wspomagana energią zmagazynowaną wakumulatorach, wystarczy do zasilania oświetlenia, układów pompowych, sprzętu iurządzeń domowych.

- Duże elektrownie wiatrowe (w praktyce powyżej 100 kW), oprócz tego, że mogą zasilać dom, stosowane są przede wszystkim do wytwarzania prądu, który sprzedaje

się do sieci elektroenergetycznej. Taka elektrownia musi spełniać szczegółowe



wymagania lokalnego operatora sieci, potrzebna jest też oczywiście jego zgoda natakie przyłączenie.

Ze względu na wielkość:

Ilość energii elektrycznej produkowanej w elektrowni wiatrowej zależy głównie odprędkości wiatru. Ta z kolei zależy od wielu czynników - zarówno klimatycznych, jak izwiązanych na przykład z wysokością usytuowania wiatraka (im jest on wyżej, tymwiększa produkcja energii). Współczesne "duże" elektrownie wiatrowe osadza się nawieżach 70-, 80-, a nawet 100- czy 120-metrowych.Małe najczęściej mają zapodstawę maszty od 1,5 m (na dachach) do 15-20 m nad poziomem gruntu [5].

Ze względu na inne kryteria:

Podstawowym kryterium podziału elektrowni wiatrowych jest położenie osi obrotuwirnika, zgodnie, z którym rozróżniamy dwa rodzaje elektrowni:

- z pozioma osią obrotu -HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines);najpopularniejsze - ponad 95% stosowanych rozwiązań;

- z pionowa osią obrotu - VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines) [5].

Ze względu na kolejne kryteria:

- sposób wykorzystania produkowanej energii - wyróżnia się na przykład siłownieenergetyczne i siłownie pompowe;

- liczbę płatów wirnika - elektrownie jedno-, dwu-, trzy-, cztero- i wielo-płatowe;

- usytuowanie wirnika względem kierunku wiatru i masztu (w elektrowniach typuHAWT): dowietrzne (ang. up-wind) oraz odwietrzne (ang. down-wind);

- szybkobieżność - elektrownie wolnobieżne, średniobieżne i szybkobieżne.

Wśród najpopularniejszych maszyn - typu HAWT - ponad 90% obecnie stosowanychto trójpłatowe urządzenia typu up-wind służące głównie do wytwarzania energiielektrycznej.

4. Lokalizacja przydomowej elektrowni wiatrowej

Jak już wspomniano podstawowym warunkiem opłacalności inwestycji związanej zbudową elektrowni wiatrowej jest jej lokalizacja. Ponieważ dla potrzeb przydomowejelektrowni wiatrowej, przeprowadzenie kosztownych i czasochłonnych pomiarówwietrzności mogłoby przewyższyć koszt inwestycji, lokalizacji wiatraka należydokonać w oparciu o tzw. Mapę wietrzności oraz o ukształtowanie terenu i lokalnewarunki atmosferyczne oparte głównie na obserwacji - "słuchaj ludzi - kieruj sięrozumem" [6].

Lokalizacja elektrowni wiatrowej na terenie Polski



Dostępne atlasy i mapy wietrzności należy traktować jedynie jako materiałypomocnicze. W budowie małych elektrowni wiatrowych bardziej istotna od atlasówwiatru jest obserwacja i doświadczenie. Lokalne uwarunkowania orografii(ukształtowania) terenu mogą sprawić, że nawet w regionie uważanym za

bezwietrzny elektrownia wiatrowa może być opłacalna.

Rys. 5. Strefy wiatru w Polsce [7] I - STREFA WYBITNIE KORZYSTNA, II - STREFABARDZO KORZYSTNA, III - STREFA KORZYSTNA, IV - STREFA MAŁOKORZYSTNA, V – NIEKORZYSTNA.

Lokalizacja elektrowni wiatrowych w terenie

Wydajność siłowni wiatrowych w dużej mierze zależna jest od ich lokalizacji wterenie. Na wydajność siłowni zasadniczy wpływ ma ukształtowanie terenu (podłużne

wzgórza, pojedyncze wzgórza i góry, skarpy zagłębienia, przełęcze), przeszkody(budynki, drzewa). Płaski obszar porośnięty trawą jest typowym przykładem terenu o jednolitej szorstkości. Na tym obszarze prędkość wiatru na wybranej wysokości jestprawie jednakowa. Przeszkody terenowe (budynki, rzędy drzew, pojedynczedrzewa), znajdujące się na drodze przesuwających się mas powietrza, powodują gwałtowne zmniejszenie prędkości wiatru i wzrost turbulencji w jej pobliżu.Zaburzenie w przepływie wywołane przeszkodą ma niezwykle negatywny wpływ natrwałość i żywotność konstrukcji elektrowni, aczkolwiek współczesne obiektycharakteryzują się wysoką niezawodnością i trwałością. W tabeli poniżej podanoszacunkowe warunki uwzględniające przykładowe przeszkody terenowe.klasa szorstkościEnergia (%)Rodzaj terenu

klasaszorstkości

Energia(%)

Rodzaj terenu

0 100 Powierzchnia wody0,5 73 Całkowicie otwarty teren np. betonowe lotnisko, trawiasta łąka

itp.1 52 Otwarte pola uprawne z niskimi zabudowaniami. Tylko lekko

pofalowane teren1,5 45 Tereny uprawne z nielicznymi zabud. i 8 m żywopłotamioddalonymi od siebie o ok. 1250 m

2 39 Tereny uprawne z nielicznymi zabud. i 8 m żywopłotamioddalonymi od siebie o ok. 500 m

2,5 31 Tereny uprawne z licznymi zabud. lub 8 m żywopłotyoddalone od siebie o ok. 250 m

3 24 Wioski, miasteczka , tereny uprawne z licznymi żywopłotami ,las lub pofałdowany teren

3,5 18 Duże miasta z wysokimi budynkami4 13 Bardzo duże miasta z wysokimi budynkami i drapaczami

chmur



Tab.1. Charakterystyka klas szorstkości [7].

Zmienność wiatru w ujęciu przestrzennym to także uzależnienie od wysokości.

Średnia prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością względem powierzchni ziemi. Imwyżej tym wiatr ma coraz bardziej stały charakter (mniejsze turbulencjespowodowane ukształtowaniem terenu). Z drugiej strony wraz ze wzrostemwysokości względem poziomu morza zmniejsza się gęstość powietrza a to oznaczamniejszą proporcjonalnie moc wiatru.

Rys. 6. Wzrost prędkości wiatru wraz z wysokością, jako funkcja szorstkości terenu(przykładowa aproksymacja). Założony punkt odniesienia to: średnią prędkość wiatru5,5 m/s dla klasy szorstkości 1,5 na wysokości 30 m nad ziemią [7].

5. Opłacalność inwestycji w przydomową elektrownie wiatrową

Celem artykułu jest wielowariantowa analiza możliwości wykorzystania energii wiatru,przez małą, przydomową elektrownię wiatrową, do zapewnienia potrzebenergetycznych budynków zabudowy jednorodzinnej, gospodarstw rolnych,schronisk górskich, małych firm itp.

Przydomowa elektrownia wiatrowa może dostarczać prąd na potrzeby odbiornikaautonomicznego (wydzielonego układu elektrycznego w domu), czyli działającegoniezależnie od sieci elektroenergetycznej oraz może pokryć zapotrzebowanie naenergię całego domu, a nadwyżki energii elektrycznej można sprzedać do siecielektroenergetycznej. Przeanalizowane zostaną trzy warianty wykorzystania energiiwiatru na potrzeby indywidualnych odbiorców.

WARIANT I:

Zasilanie z przydomowej elektrowni wiatrowej całej instalacji elektrycznej domu(oświetlenie, sprzęt AGD itp.) i/lub wspomaganie centralnego ogrzewania.

Rys. 7. Schemat dla Wariantu I [8]

WARIANT II:Wykorzystanie energii wiatru do pokrycia zapotrzebowania na energię całego domu(oświetlenie, ogrzewanie, urządzenia gospodarstwa domowego itd.) odłączonego odsieci elektroenergetycznej na czas korzystania z energii wytworzonej przezprzydomową elektrownię wiatrową lub całkowicie odłączonego od siecienergetycznej.

Rys. 8. Schemat dla Wariantu II i III [8]

WARIANT III:



Zasilanie z przydomowej elektrowni wiatrowej wszystkich domowych odbiornikówenergii i sprzedaż nadwyżki energii elektrycznej do sieci elektroenergetycznej. CzyliWariant II plus działalność gospodarcza związana z produkcją „zielonej” energii isprzedażą prądu do sieci elektroenergetycznej.

6. Zapotrzebowanie energetyczne domu jednorodzinnego oraz związane z tymkoszty.

Zapotrzebowanie energetyczne domu jednorodzinnego zostało określone napodstawie średniego, rocznego zużycia energii (elektrycznej i cieplnej) na przestrzenitrzech lat w moim domu. Odczyt ilości zużycia energii dokonano na podstawiezainstalowanych mierników energii elektrycznej i gazu. Gaz jest wykorzystywany docentralnego ogrzewania, ciepłej wody użytkowej oraz w pracach kuchennych dogotowania. Prąd natomiast do oświetlenia i zasilania pozostałych urządzeń AGD.

Średnioroczne zużycie energii elektrycznej – 4 600 kWh/a

Koszt wg rachunków z grudnia 2007 r.:

- cena 1kWh = 0,1570 zł.

- opłata przesyłowa 1kWh = 0,1704 zł.

- abonament miesięczny = 2 zł.

Podane ceny są cenami netto, po zsumowaniu i ubruttowieniu koszt 1kWh ≈ 0,40 zł.

Roczny koszt zużycia energii elektrycznej brutto wynosi: 1 840 zł.

Średnioroczne zużycie gazu – 3 700 m3/a

Koszt wg rachunków z grudnia 2007 r. - według taryfy W3:

- cena 1m3 = 0,8081 zł.

- opłata dystrybucyjna zmienna 1m3 = 0,4209 zł.

- opłata dystrybucyjna stała 11,50 zł./miesiąc,

- abonament 6,30 zł./miesiąc.

Podane ceny są cenami netto, po zsumowaniu i ubruttowieniu koszt 1 m3 ≈ 1,55 zł.

Roczny koszt zużycia gazu brutto wynosi: 5 735 zł.

Czyli, roczny koszt zaopatrzenia domu jednorodzinnego w energię wynosi: 7 575 zł.



7. Dobór mocy znamionowej elektrowni wiatrowej

WARIANT IZapotrzebowanie na energię elektryczną domu jednorodzinnego wynosi: 4 600kWh.

Zakładając, że turbina wiatrowa z mocą nominalną będzie pracować przez 20% dniw ciągu całego roku [7] przydomowa elektrownia, aby wyprodukować tą ilość energiipowinna posiadać moc nominalną równą 2,6 kW

x kW * 24 godziny * 365 dni w roku * 20% = 4 600 kWh stąd x = 2,6 kW(1)

WARIANT II

Zapotrzebowanie na energię całego domu jednorodzinnego wynosi: 4 600kWh + 37000 kWh (3 700 m3 gazu wysokometanowego o symbolu E - dawna nazwa GZ-50, o

wartości opałowej 10 kWh/m3 [10]) to jest 41 600 kWh

Postępując analogicznie jak powyżej (1), moc nominalna elektrowni wynosi 23,7 kW.

WARIANT III

W tym przypadku dobór mocy znamionowej jest uzależniony od indywidualnegopodejścia inwestora (zdolności finansowej inwestycji, ilości planowanej sprzedażyenergii elektrycznej itp.). Analizując rynek dostawców kompletnych, gotowychelektrowni wiatrowych, do rozważań przyjąłem elektrownię o mocy 40 kW.

8. Koszt inwestycji

Rozważane elektrownie wiatrowe są nowe, kompletne do bezpośredniego wpięcia dosieci (WARIANT II i III), z poziomą osią obrotu typu HAWT, trójpłatowe.Opis

Opis WARIANT I WARIANT II WARIANT IIIMoc znam. 2,8 kW 24 kW 40 kW

Koszt 13,9 tyś zł netto 130 tyś zł netto 191 tyś zł nettoKoszt brutto 17 tyś zł. 158,6 tyś zł. 232,8 tyś zł

Tab. 2. Koszt zakupu kompletnej elektrowni wiatrowej.

9. Okres zwrotu inwestycji

Do rozważań związanych za zwrotem inwestycji przyjąłem:

- koszt inwestycji,

- przychód związany z oszczędnością zużywanych obecnie mediów energetycznych,



- przychód związany ze sprzedażą „zielonych certyfikatów” – w tym również zaenergię wyprodukowaną z OZE i zużytą na potrzeby własne [12], (0,24 zł/1kWh),

- przychód związany ze sprzedażą energii elektrycznej do sieci elektroenergetycznej

– tylko dla WARIANTU III (0,137 zł/1kWh [13].

Opis WARIANT I WARIANT II WARIANT IIIProdukcja prądu 4 600 kWh 41 600 kWh 70 080 kWhPrzychód zzaoszczędzonychmediów

1 840 zł. 7 575 zł. 7 575 zł.

Wpływy za „zielonecertyfikaty”

1 104 zł. 9 984 zł. 16 819 zł.

Sprzedaż energii - - 28 480kWhPrzychód ze sprzedanejenergii

- - 3 901 zł.

Razem roczneprzychody

2 944 zł. 17 559 zł. 28 295 zł.

Koszt inwestycji 17 000 zł. 158 600 zł. 232 800 zł.Okres zwrotu inwestycji 5,7 lat 9 lat 8,2 lat

Tab. 3. Okres zwrotu inwestycji.

Roczna produkcja energii elektrycznej dla WARIANTU III:

40 kW * 24 godziny * 365 dni w roku * 20% = 70 080 kWh

10. Podsumowanie i wnioski

Reasumując, wykorzystanie energii wiatru do zapewnienia potrzeb energetycznychbudynków zabudowy jednorodzinnej, gospodarstw rolnych, schronisk górskich,małych firm itp. staje się w Polsce przedsięwzięciem coraz bardziej popularnym, a zekologicznego punktu widzenia, bardzo wskazanym. Budowa przydomowejelektrowni wiatrowej łączy się jednak z dość dużymi nakładami inwestycyjnymi,których okres zwrotu jest bardzo silnie uzależniony od lokalnych warunków

atmosferycznych (prędkości wiatrów występujących w miejscu instalacji elektrowniwiatrowej) a tym samym od mocy zainstalowanej jednostki (małe elektrownie do 3kW – okres zwrotu inwestycji od 3 do 5 lat, duże o mocach od 10 kW do 100 kW –okres zwrotu nakładów do 10 lat). Jest to dość długi okres zwrotu inwestycji(szczególnie dla WARIANTU II). Tym nie mniej budynek, który będzie zasilany z tejelektrowni może być położony w miejscu, w którym nie ma podłączonych żadnychnośników energii i nie ma możliwości ich podłączenia.

Wnioski:

1. Okresy zwrotu inwestycji zostały obliczone przy założeniu, że elektrowniawiatrowa będzie pracowała 20% godzin w roku z mocą znamionową. Takie średniewarunki wietrzności występują między innymi na terenie powiatu zgorzeleckiego



(gdzie planuję wykonanie takiej inwestycji). Są jednak miejsca na terenie powiatugdzie czas pracy elektrowni wiatrowej z mocą znamionową może wynosić 40%godzin a nawet więcej. W takim przypadku siłownia wiatrowa będzie produkowaćdwa razy więcej energii elektrycznej. Czyli moc znamionowa zainstalowanychgeneratorów wiatrowych (w odniesieniu do zapotrzebowania energetycznego

rozważanych WARIANTÓW), może być o połowę mniejsza.

2. Stosowanie w budynkach jednorodzinnych energooszczędnych urządzeń (np.oświetlenie diodowe, energooszczędny sprzęt AGD itp.) oraz, a może przedewszystkim odpowiednie ocieplenie budynku, wpłynie na dalsze zmniejszenie mocyznamionowej projektowanych wiatraków.

3. Mając na uwadze powyższe wnioski 1 i 2, przy projektowaniu nowejprzydomowej elektrowni wiatrowej można przyjąć:

- dla WARIANTU I – moc nominalna jednostki 1,4 kW; koszt zakupu ok. 10 tyś. zł.

(okres zwrotu inwestycji – ok. 3 lat),

- dla WARIANTU II - moc nominalna jednostki 12 kW; koszt zakupu ok. 100 tyś. zł.(okres zwrotu inwestycji – ok. 6 lat),

- dla WARIANTU III – moc nominalna jest uzależniona od tego ile energii chcemysprzedać do sieci w ramach działalności gospodarczej.

4. Ostatnio pojawiło się wiele firm oferujących sprzedaż używanych elektrowniwiatrowych, które można nabyć po atrakcyjnych cenach (w stosunku do nowych jednostek). Koszt zakupu używanej elektrowni wiatrowej o mocy 75 kW wynosi 90 tyśzł. netto [14] (110 tyś zł.). W tym przypadku zwrot nakładów inwestycyjnych wyniesieok. 4 lat).

5. Analizując ceny elektrowni wiatrowych na przestrzeni kilku ostatnich lat, widać wstosunku do cen zakupu wyraźne tendencje zniżkowe. Można, zatem sądzić, że zaparę lat budowa przydomowej elektrowni wiatrowej będzie jeszcze bardziej rentownatym bardziej, że w rozważaniach ekonomicznych nie uwzględniano wzrostu cenenergii elektrycznej i cieplnej w kolejnych latach.

6. Jak już wspominano produkcja energii elektrycznej jest bardzo silnie uzależniona

od energii wiatru w danym miejscu. Dla zapewnienia niezawodności dostaw energiielektrycznej i cieplnej do domu jednorodzinnego coraz bardziej powszechne stają siętzw. układy hybrydowe zasilania domu w energię, czyli oprócz elektrowni wiatrowejrównolegle stosuje się ogniwa fotowoltaniczne, kolektory słoneczne i/lub pompyciepła.

Piotr FrąszczakSpecjalista ds. ekoenergetyki

w powiecie zgorzeleckim

ZASTOSOWANIE ENERGII WIATRU

Documents

Transcript of ZASTOSOWANIE ENERGII WIATRU