Często spotykany skrót OZE oznacza po prostu Odnawialne Źródła Energii. Nazywa się je w ten sposób, ponieważ zawierają się w nim źródła, których wykorzystywanie nie wiąże się z ich długotrwałym ubytkiem. Ich zasoby zwyczajnie odnawiają się w krótkim czasie. Są to m.in. wiatr, opady, pływy morskie, fale morskie, promienie słoneczne i geotermia. Przeciwieństwem OZE są nieodnawialne źródła energii takie jak węgiel, gaz ziemny czy uran.

Kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne. Co to w ogóle za różnica?

Ciepło i prąd z wiatru zamiast słońca

Jednym z Odnawialnych Źródeł Energii jest także wiatr. Za pozyskiwanie z niego energii odpowiedzialne są turbiny wiatrowe, które charakteryzują się różnymi cechami. Zanim je omówimy ustalmy czym właściwie jest turbina wiatrowa.

Turbina wiatrowa to urządzenie przetwarzające energię kinetyczną wiatru (ruchu powietrza) na pracę mechaniczną w postaci ruchu obrotowego wirnika, która jest zamieniana na energię elektryczną.

Wyróżniamy dwa rodzaje turbin ze względu na oś obrotu.

• Turbina o osi pionowej.
• Turbina o osi poziomej.

Oba rodzaje turbin występują również w wersji z dyfuzorem. Dyfuzor pozwala na podniesienie sprawności.

Turbiny poziome dzielimy na dwa rodzaje ze względu na kierunek napływającego wiatru:

• nawietrzne (up-wind),
• zawietrzne (down-wind).

Turbiny o poziomej osi obrotu wirnika dzielimy również ze względu na ilość łopatek:

• jednopłatowe,
• dwupłatowe,
• trójpłatowe,
• wielopłatowe.

Jak powstaje prąd z wiatru?

• wiatr trafia na opór w postaci łopaty turbiny,
• ruch wiatru (energia kinetyczna) przetwarzana jest w energię mechaniczną w postaci obrotów wirnika,
• oś wirnika połączona jest z generatorem w sposób bezpośredni lub poprzez przekładnię,
• generator obracając się przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną, która trafia do sieci (instalacja on grid) lub jest bezpośrednio wykorzystywana przez użytkownika.

Sposoby podłączenia elektrycznego turbin wiatrowych

Istnieją dwa rozwiązania wykorzystywania wyprodukowanej czystej energii. Instalacja współpracująca z siecią to rozwiązanie on grid. Takie rozwiązanie stosowane jest wtedy, gdy właściciel turbiny jest prosumentem czyli jednocześnie używa wyprodukowanej energii, a jej nadwyżki sprzedaje do sieci energetycznej. Drugim sposobem podłączenia elektrycznego jest rozwiązanie off grid. Jest to instalacja OZE nie podłączona do sieci, której energia zużywana jest na potrzeby własne, zwykle w formie dogrzewania budynku lub/i wody użytkowej. Istnieją również instalacje off grid, których energia magazynowana jest w bateriach w celu spożytkowania jej w momencie zapotrzebowania (instalacja wyspowa).

Jest kilka sprawności, tylko co oznacza każda z nich?

W energetyce sprawność odgrywa kluczową rolę. Dotyczy to także Odnawialnych Źródeł Energii. Sprawność aerodynamiczna jest niezwykle ważna w pozyskiwaniu energii z turbin. Odpowiada ona za to jak dobrze jednostka odzyskuje energię z wiatru. Maksymalną sprawność aerodynamiczną możliwą do uzyskania według praw fizyki określa limit Betz’a, który wynosi 59,3%.Turbina ALPHA 6 osiąga 97% limitu Betz’a. Więcej o limicie Betz’a przeczytasz tutaj.

Sprawność elektryczna mówi o tym jak duża część energii mechanicznej zostanie przekształcona na energię elektryczną. Pozostała jej część jest zwykle stratą w postaci ciepła wydzielającego się w układach elektrycznych turbiny takich jak generator i falownik.

Sprawność całkowitą instalacji uzyskuje się poprzez pomnożenie sprawności aerodynamicznej i sprawności elektrycznej. Dla przykładu: 97% sprawności aerodynamicznej x 90% sprawności elektrycznej = 87,3% sprawności całkowitej instalacji (taka część energii została przetworzona na prąd).

Czym się różni krzywa mocy od krzywej sprawności?

Krzywa mocy pokazuje zależność mocy turbiny od prędkości wiatru czyli z jaką mocą turbina będzie pracować przy określonych prędkościach wiatru. 

Krzywa mocy jest to najważniejsza informacja, na podstawie której użytkownik zainteresowany inwestycją w turbinę powinien się kierować przy podejmowaniu decyzji o jej wyborze.

 

Krzywa rocznej produktywności energii w zależności od średniej prędkości wiatru nie jest wystarczającą lub/i podstawową informacją na jakiej powinien bazować użytkownik, ponieważ wynika ona z kalkulacji opartej o krzywą mocy i tzw. rozkład Weibull’a uwzględniający wartości współczynników, które są zmienne.

 

Jeżeli przy kalkulacji zostały przyjęte złe współczynniki, krzywa produktywności zostanie błędnie zawyżona, przekłamując wartości produkcji energii. Nieudostępnianie krzywej mocy jest sygnałem informującym o wątpliwej rzetelności parametrów turbiny.

Z kolei krzywa sprawności (aerodynamicznej) obrazuje jaką sprawność aerodynamiczną turbina osiąga dla poszczególnych prędkości wiatru.

Istotne parametry opisujące turbinę wiatrową

– Cut In – prędkość wiatru, która wprawia turbinę w ruch.

– Electrical Cut In – prędkość wiatru rozpoczynająca produkcję energii.

– Cut out – prędkość wiatru powodująca zatrzymanie i wyłączenie turbiny.

– Rated Wind Speed  – prędkość wiatru, przy której turbina osiąga maksymalną moc.

– Rated Rotational Speed – maksymalna prędkość obrotowa wirnika.

– Rated Power – maksymalna moc turbiny.

– Pole przekroju turbin wiatrowych – powierzchnia oddziaływania to pole przekroju całej turbiny prostopadłe do kierunku przepływającego wiatru. Im większa powierzchnia oddziaływania tym więcej mocy turbina może wytworzyć. Należy zaznaczyć, iż dla standardowych turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu wirnika powierzchnia jest równa polu koła zataczanego przez końcówki łopatek (średnicy wirnika).

Powierzchnię oddziaływania pionowych turbin wiatrowych wyznacza pole prostokąta, którego wysokość wynika z długości łopat, a szerokość ze średnicy wirnika. Jeżeli pionowa lub pozioma turbina wiatrowa korzysta z dyfuzora, który jest większy od wirnika to powierzchnię oddziaływania wyznacza dyfuzor. Zawsze powierzchnię oddziaływania wyznaczają wymiary największego elementu turbiny. Pojęcie to jest o tyle istotne, że obliczanie sprawności turbin (szczególnie dyfuzorowych) powinno być wyznaczane w oparciu o maksymalną powierzchnię oddziaływania liczoną w wyżej opisany sposób. W sytuacji, w której sprawność turbiny dyfuzorowej liczona jest na podstawie pola samego wirnika, a nie pola dyfuzora (większego) dochodzi do błędnego zawyżenia sprawności turbiny wiatrowej, co w skrajnych przypadkach może doprowadzić do sytuacji, gdzie sprawność turbiny przekracza limit Betz’a łamiąc prawa fizyki. W rzeczywistości nie jest to możliwe, a wynika jedynie z niewłaściwego obliczania powierzchni oddziaływania.

– Rodzaje generatora – w turbinach wiatrowych występują różnego rodzaju generatory. Głównie dzielą się jednak na generatory PMG (Permanent Magnet Generator) i obcowzbudne. Generatory PMG to prądnice oparte o magnesy stałe, które wirując wewnątrz generatora wytwarzają prąd. Ich zaletą jest wysoka sprawność i niezawodność. Do działania nie potrzebują zasilania zewnętrznego. Generatory obcowzbudne to prądnice, w których rolę magnesu pełni cewka będąca elektromagnesem. Wadą generatorów obcowzbudnych jest konieczność zasilania elektromagnesów co wymaga energii, a to przekłada się na niższą sprawność, jednocześnie jest to rozwiązanie bardziej awaryjne i wymagające okresowego serwisowania.

– Rodzaje napędu – wirnik turbiny może być połączony z generatorem na dwa sposoby. Bezpośrednio i poprzez przekładnię. Rozwiązanie bezpośrednie (tzw. Direct Drive) jest rozwiązaniem mniej awaryjnym, jednakże wymagającym większego generatora co wynika z tego, iż pracuje on przy niższych prędkościach obrotowych. Napęd wykorzystujący przekładnię pozwala na skorzystanie z mniejszego generatora ponieważ będzie on pracował przy wyższej prędkości obrotowej. Niestety przekładnia jest elementem mechanicznym, który podczas pracy jest elementem mocno obciążonym i zużywającym się. To sprawia, że wymaga regularnych serwisów i przeglądów, a w skrajnych przypadkach wymiany.

Decydując się na rozwiązanie oparte o przekładnie lub/i generator obcowzbudny mamy do czynienia z pozorną oszczędnością. Wynika ona z niższych kosztów zakupu nieuwzględniających późniejszych kosztów serwisowych i przestojów w pracy turbiny. Najlepsze turbiny na świecie wykorzystują generatory PMG bezpośrednio połączone z wałem wirnika (Direct Drive).

– Sposób zmiany kąta łopatek (pitch control) – są dwa sposoby zmiany kąta łopatek – aktywne i pasywne. Aktywny system pozwala na dowolną zmianę kąta łopat w dowolnym momencie czasu pracy turbiny. Natomiast system pasywny zmienia kąt łopat w zależności od prędkości obrotowej zwykle działając jako zabezpieczenie przed przekroczeniem maksymalnej prędkości obrotowej.

– Sposób ustawiania się turbiny do wiatru (yaw control) – podobnie jak w przypadku zmiany kąta łopatek istnieją dwa sposoby ustawiania turbiny do kierunku wiatru – aktywny i pasywny. Standardowe turbiny wiatrowe wymagają aktywnego systemu ustawiania wirnika w kierunku wiatru co zwykle realizowane jest poprzez koło zębate, które obracane jest przez silnik, aby ustawić jednostkę w kierunku wiatru. Niektóre małe turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu wirnika posiadają za wirnikiem płaskie skrzydło (ogon), który pozwala na ustawianie się jednostki do wiatru w sposób pasywny, niewykorzystujący zębatki wymagającej zasilania. Należy również dodać, że pionowe turbiny wiatrowe nie wymagają ustawiania do wiatru ze względu na swoją budowę. W turbinie dyfuzorowej rolę wspomnianego ogona może pełnić dyfuzor. Pasywny system zapewnia bezawaryjność oraz brak konieczności zasilania układu ustawiającego jednostkę w kierunku wiatru.

Trzy kroki, by być świadomym użytkownikiem OZE

Za Tobą pierwszy i najważniejszy krok. Wiesz już bardzo dużo. Pytanie czy chciałbyś pójść dalej? Oto dwa kolejne kroki. Jesteś ciekaw jak spojrzysz na świat, gdy je przejdziesz?

Krok 2: Potencjał Twojej Lokalizacji

Krok 3: Sprawność aerodynamiczna

Chcemy, aby słownik OZE nieustannie się poszerzał. Jeśli czujesz, że brakuje w nim pojęcia, które jest dla Ciebie niejasne przedstaw je w komentarzu. Na pewno je wyjaśnimy.

Często spotykany skrót OZE oznacza po prostu Odnawialne Źródła Energii. Nazywa się je w ten sposób, ponieważ zawierają się w nim źródła, których wykorzystywanie nie wiąże się z ich długotrwałym ubytkiem. Ich zasoby zwyczajnie odnawiają się w krótkim czasie. Są to m.in. wiatr, opady, pływy morskie, fale morskie, promienie słoneczne i geotermia. Przeciwieństwem OZE są nieodnawialne źródła energii takie jak węgiel, gaz ziemny czy uran.

Kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne. Co to w ogóle za różnica?

Ciepło i prąd z wiatru zamiast słońca

Istnieją dwa rozwiązania wykorzystywania wyprodukowanej czystej energii. Instalacja współpracująca z siecią to rozwiązanie on grid. Takie rozwiązanie stosowane jest wtedy, gdy właściciel turbiny jest prosumentem czyli jednocześnie używa wyprodukowanej energii, a jej nadwyżki sprzedaje do sieci energetycznej. Drugim sposobem podłączenia elektrycznego jest rozwiązanie off grid. Jest to instalacja OZE nie podłączona do sieci, której energia zużywana jest na potrzeby własne, zwykle w formie dogrzewania budynku lub/i wody użytkowej. Istnieją również instalacje off grid, których energia magazynowana jest w bateriach w celu spożytkowania jej w momencie zapotrzebowania (instalacja wyspowa).

Jest kilka sprawności, tylko co oznacza każda z nich?

W energetyce sprawność odgrywa kluczową rolę. Dotyczy to także Odnawialnych Źródeł Energii. Sprawność aerodynamiczna jest niezwykle ważna w pozyskiwaniu energii z turbin. Odpowiada ona za to jak dobrze jednostka odzyskuje energię z wiatru. Maksymalną sprawność aerodynamiczną możliwą do uzyskania według praw fizyki określa limit Betz’a, który wynosi 59,3%.Turbina ALPHA 6 osiąga 97% limitu Betz’a. Więcej o limicie Betz’a przeczytasz tutaj.

Sprawność elektryczna mówi o tym jak duża część energii mechanicznej zostanie przekształcona na energię elektryczną. Pozostała jej część jest zwykle stratą w postaci ciepła wydzielającego się w układach elektrycznych turbiny takich jak generator i falownik.

Sprawność całkowitą instalacji uzyskuje się poprzez pomnożenie sprawności aerodynamicznej i sprawności elektrycznej. Dla przykładu: 97% sprawności aerodynamicznej x 90% sprawności elektrycznej = 87,3% sprawności całkowitej instalacji (taka część energii została przetworzona na prąd).

Czym się różni krzywa mocy od krzywej sprawności?

Krzywa mocy pokazuje zależność mocy turbiny od prędkości wiatru czyli z jaką mocą turbina będzie pracować przy określonych prędkościach wiatru. 

Krzywa mocy jest to najważniejsza informacja, na podstawie której użytkownik zainteresowany inwestycją w turbinę powinien się kierować przy podejmowaniu decyzji o jej wyborze.

Krzywa rocznej produktywności energii w zależności od średniej prędkości wiatru nie jest wystarczającą lub/i podstawową informacją na jakiej powinien bazować użytkownik, ponieważ wynika ona z kalkulacji opartej o krzywą mocy i tzw. rozkład Weibull’a uwzględniający wartości współczynników, które są zmienne.

Jeżeli przy kalkulacji zostały przyjęte złe współczynniki, krzywa produktywności zostanie błędnie zawyżona, przekłamując wartości produkcji energii. Nieudostępnianie krzywej mocy jest sygnałem informującym o wątpliwej rzetelności parametrów turbiny.

Z kolei krzywa sprawności (aerodynamicznej) obrazuje jaką sprawność aerodynamiczną turbina osiąga dla poszczególnych prędkości wiatru.

Istotne parametry opisujące turbinę wiatrową

– Cut In – prędkość wiatru, która wprawia turbinę w ruch.

– Electrical Cut In – prędkość wiatru rozpoczynająca produkcję energii.

– Cut out – prędkość wiatru powodująca zatrzymanie i wyłączenie turbiny.

– Rated Wind Speed  – prędkość wiatru, przy której turbina osiąga maksymalną moc.

– Rated Rotational Speed – maksymalna prędkość obrotowa wirnika.

– Rated Power – maksymalna moc turbiny.

– Pole przekroju turbin wiatrowych – powierzchnia oddziaływania to pole przekroju całej turbiny prostopadłe do kierunku przepływającego wiatru. Im większa powierzchnia oddziaływania tym więcej mocy turbina może wytworzyć. Należy zaznaczyć, iż dla standardowych turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu wirnika powierzchnia jest równa polu koła zataczanego przez końcówki łopatek (średnicy wirnika).

Powierzchnię oddziaływania pionowych turbin wiatrowych wyznacza pole prostokąta, którego wysokość wynika z długości łopat, a szerokość ze średnicy wirnika. Jeżeli pionowa lub pozioma turbina wiatrowa korzysta z dyfuzora, który jest większy od wirnika to powierzchnię oddziaływania wyznacza dyfuzor. Zawsze powierzchnię oddziaływania wyznaczają wymiary największego elementu turbiny. Pojęcie to jest o tyle istotne, że obliczanie sprawności turbin (szczególnie dyfuzorowych) powinno być wyznaczane w oparciu o maksymalną powierzchnię oddziaływania liczoną w wyżej opisany sposób. W sytuacji, w której sprawność turbiny dyfuzorowej liczona jest na podstawie pola samego wirnika, a nie pola dyfuzora (większego) dochodzi do błędnego zawyżenia sprawności turbiny wiatrowej, co w skrajnych przypadkach może doprowadzić do sytuacji, gdzie sprawność turbiny przekracza limit Betz’a łamiąc prawa fizyki. W rzeczywistości nie jest to możliwe, a wynika jedynie z niewłaściwego obliczania powierzchni oddziaływania.

– Rodzaje generatora – w turbinach wiatrowych występują różnego rodzaju generatory. Głównie dzielą się jednak na generatory PMG (Permanent Magnet Generator) i obcowzbudne. Generatory PMG to prądnice oparte o magnesy stałe, które wirując wewnątrz generatora wytwarzają prąd. Ich zaletą jest wysoka sprawność i niezawodność. Do działania nie potrzebują zasilania zewnętrznego. Generatory obcowzbudne to prądnice, w których rolę magnesu pełni cewka będąca elektromagnesem. Wadą generatorów obcowzbudnych jest konieczność zasilania elektromagnesów co wymaga energii, a to przekłada się na niższą sprawność, jednocześnie jest to rozwiązanie bardziej awaryjne i wymagające okresowego serwisowania.

– Rodzaje napędu – wirnik turbiny może być połączony z generatorem na dwa sposoby. Bezpośrednio i poprzez przekładnię. Rozwiązanie bezpośrednie (tzw. Direct Drive) jest rozwiązaniem mniej awaryjnym, jednakże wymagającym większego generatora co wynika z tego, iż pracuje on przy niższych prędkościach obrotowych. Napęd wykorzystujący przekładnię pozwala na skorzystanie z mniejszego generatora ponieważ będzie on pracował przy wyższej prędkości obrotowej. Niestety przekładnia jest elementem mechanicznym, który podczas pracy jest elementem mocno obciążonym i zużywającym się. To sprawia, że wymaga regularnych serwisów i przeglądów, a w skrajnych przypadkach wymiany.

Decydując się na rozwiązanie oparte o przekładnie lub/i generator obcowzbudny mamy do czynienia z pozorną oszczędnością. Wynika ona z niższych kosztów zakupu nieuwzględniających późniejszych kosztów serwisowych i przestojów w pracy turbiny. Najlepsze turbiny na świecie wykorzystują generatory PMG bezpośrednio połączone z wałem wirnika (Direct Drive).

– Sposób zmiany kąta łopatek (pitch control) – są dwa sposoby zmiany kąta łopatek – aktywne i pasywne. Aktywny system pozwala na dowolną zmianę kąta łopat w dowolnym momencie czasu pracy turbiny. Natomiast system pasywny zmienia kąt łopat w zależności od prędkości obrotowej zwykle działając jako zabezpieczenie przed przekroczeniem maksymalnej prędkości obrotowej.

– Sposób ustawiania się turbiny do wiatru (yaw control) – podobnie jak w przypadku zmiany kąta łopatek istnieją dwa sposoby ustawiania turbiny do kierunku wiatru – aktywny i pasywny. Standardowe turbiny wiatrowe wymagają aktywnego systemu ustawiania wirnika w kierunku wiatru co zwykle realizowane jest poprzez koło zębate, które obracane jest przez silnik, aby ustawić jednostkę w kierunku wiatru. Niektóre małe turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu wirnika posiadają za wirnikiem płaskie skrzydło (ogon), który pozwala na ustawianie się jednostki do wiatru w sposób pasywny, niewykorzystujący zębatki wymagającej zasilania. Należy również dodać, że pionowe turbiny wiatrowe nie wymagają ustawiania do wiatru ze względu na swoją budowę. W turbinie dyfuzorowej rolę wspomnianego ogona może pełnić dyfuzor. Pasywny system zapewnia bezawaryjność oraz brak konieczności zasilania układu ustawiającego jednostkę w kierunku wiatru.

Trzy kroki, by być świadomym użytkownikiem OZE

Za Tobą pierwszy i najważniejszy krok. Wiesz już bardzo dużo. Pytanie czy chciałbyś pójść dalej? Oto dwa kolejne kroki. Jesteś ciekaw jak spojrzysz na świat, gdy je przejdziesz?

Krok 2: Potencjał Twojej Lokalizacji

Krok 3: Sprawność aerodynamiczna

Chcemy, aby słownik OZE nieustannie się poszerzał. Jeśli czujesz, że brakuje w nim pojęcia, które jest dla Ciebie niejasne przedstaw je w komentarzu. Na pewno je wyjaśnimy.

Polecane artykuły