Budowa elektrowni wiatrowej

                                             

                                 

                     Uproszczony schemat budowy typowej siłowni wiatrowej

Elektrownia wiatrowa składa się z wirnika i gondoli umieszczonych na wieży. Najważniejszą częścią elektrowni wiatrowej jest wirnik, w którym dokonuje się zamiana energii wiatru na energię mechaniczną. Osadzony jest on na wale, poprzez który napędzany jest generator. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością 15-20 obr/min, natomiast typowy generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min. W związku z tym niezbędne jest użycie skrzyni przekładniowej, w której dokonuje się zwiększenie prędkości obrotowej. Najczęściej spotyka się wirniki trójpłatowe, zbudowane z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem. W piaście wirnika umieszczony jest serwomechanizm pozwalający na ustawienie kąta nachylenia łopat (skoku). Gondola musi mieć możliwość obracania się o 360 stopni, aby zawsze można ustawić ją pod wiatr. W związku z tym na szczycie wieży zainstalowany jest silnik, który poprzez przekładnię zębatą może ją obracać. W elektrowniach małej mocy, gdzie masa gondoli jest stosunkowo mała, jej ustawienie pod wiatr zapewnia ster kierunkowy zintegrowany z gondolą. Pracą mechanizmu ustawienia łopat, i kierunkowania elektrowni zarządza układ mikroprocesorowy na podstawie danych wejściowych (np. prędkości i kierunku wiatru). Ponadto w gondoli znajdują się: transformator, łożyska, układy smarowania oraz hamulec zapewniający zatrzymanie wirnika w sytuacjach awaryjnych.

                     

Elektrownia wiatrowa Vestas V80 (2 MW) 1) sterownik piasty 2) cylinder systemu sterowania łopatami 3) oś główna 4) chłodnica oleju 5) skrzynia przekładniowa 6) sterownik VIP z konwerterem 7) hamulec postojowy dźwig serwisowy 9) transformator 10) piasta wirnika 11) łożysko łopaty 12) łopata 13) układ blokowania wirnika 14) układ hydrauliczny 15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika 16) pierścień układu kierunkowania 17) rama 18) koła zębate układu kierunkowania 19) generator 20) chłodnica generatora.

Elektrownie wiatrowe wykorzystują moc wiatru w zakresie jego prędkości od 4 do 25 m/s. Przy prędkości wiatru mniejszej od 4 m/s moc wiatru jest niewielka, a przy prędkościach powyżej 25 m/s ze względów bezpieczeństwa elektrownia jest zatrzymywana.

Elektrownie wiatrowe a szczególnie ich skupisko wywierają znaczący wpływ na krajobraz. Nowoczesne siłownie wiatrowe to olbrzymie konstrukcje, których wysokość może przekraczać 100 metrów. Obracające się śmigła mogą wywoływać intrygujące wrażenie, nie wspominają o efektach świetlnych (efekt stroboskopowy). Nie powinno się ich lokalizować w parkach narodowych i terenach atrakcyjnych krajobrazowo. Powinny być lokalizowane z dala od zamieszkałych budynków, aby nie wpływały niekorzystnie na psychikę pobliskich mieszkańców.

                          

Nowoczesna siłownia wiatrowa to konstrukcja o naprawdę imponujących rozmiarach. Przykładowo: wiatrak Vestas 2 MW posiada wirnik o średnicy 80m posadowiony na wieży o wysokości od 60m do 100m. Fot. Benn Faulkner

Lokalizacja

Wydajność siłowni wiatrowych w dużej mierze zależna jest od ich lokalizacji w terenie. 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 jest prawie jednakowa. Przeszkody terenowe (budynki, rzędy drzew, pojedyncze drzewa), 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 na trwałość i żywotność konstrukcji elektrowni, aczkolwiek współczesne obiekty charakteryzują się wysoką niezawodnością i trwałością.

Zmienność wiatru w ujęciu przestrzennym to także uzależnienie od wysokości. Średnia prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością względem powierzchni ziemi. Im wyżej tym wiatr ma coraz bardziej stały charakter (mniejsze turbulencje spowodowane ukształtowaniem terenu). Z drugiej strony wraz ze wzrostem wysokości względem poziomu morza zmniejsza się gęstość powietrza a to oznacza mniejszą proporcjonalnie moc wiatru.

Budowa elektrowni wiatrowej wymaga dużej, otwartej przestrzeni. Stanowi to poważny problem szczególnie dla farm wiatrowych, w których muszą być zachowane odpowiednie odległości między samymi wiatrakami. Jednak obszar faktycznie zajmowany przez siłownie jest niewielki. Szacuje się, że 99 % gruntów leżących w strefie oddziaływania parku wiatrowego nadaję się użytku rolniczego, zarówno do uprawy ziemi jak i hodowli zwierząt, a dzierżawa gruntu pod elektrownie może być dodatkowym źródłem dochodu dla rolników. Znane są również przypadki lokalizacji elektrowni wiatrowych na wysokich hałdach (np. zwałowisk kopalnianych), co stanowi pewien sposób ich zagospodarowanie.

                      

Morze wydaje się optymalną lokalizacją dla farm wiatrowych – zapewnia stałe wiatry o dużych prędkościach. Niestety koszty takiego rozwiązania znacznie przewyższają lokalizację lądową – droższe są fundamenty, podwodna linia kablowa wyprowadzająca moc, trudniejszy montaż. Na zdjęciu duńska farma Middelgrunden – 20 wiatraków po 2 MW. Największa morska farma wiatrowa Horns Rev (również duńska) składa się z 80 takich wiatraków – osiąga więc moc 160 MW.


 

Technologia budowy. Elektrownie Asynchroniczne i Synchroniczne

Technologia asynchroniczna

 

Współczesne elektrownie wiatrowe są budowane przeważnie z poziomą osią obrotu, a koło wiatrowe ma 3 łopaty. Większość elektrowni wiatrowych zainstalowanych w systemie elektroenergetycznym jest wyposażona w generatory asynchroniczne (rys.5), których prędkość synchroniczna jest równa 1500 i 750 obr/min.

 

                   

 

Generatory Asynchroniczne stosowane w elektrowniach wiatrowych budowane sa często jako maszyny o zmiennej (przełączalnej) liczbie par biegunów (zazwyczaj o 2 lub 3 parach biegunów). Znane są również konstrukcje zawierające dwa niezależne generatory w jednej obudowie. W tym przypadku zasada działania jest następująca. Przy słabych wiatrach pracuje mały generator, którego prędkość synchroniczna jest równa 750 obr/min, natomiast kiedy prędkość wiatru wzrasta, włączany jest tz. duży generator, którego prędkość synchroniczna jest 1500 obr/min.

 

Stosunkowo mała prędkość obrotowa koła wiatrowego (wirnika turbiny wiatrowej), która wynosi nie więcej jak 40 obr/min. oraz stosowanie generatorów szybkoobrotowych wymusza zastosowanie przekładni miedzy wirnikiem turbiny a generatorem o przekładni zazwyczaj większej niż 60. Pomimo względnie małej prędkości kątowej koła wiatrowego, koniec łopaty wirnika osiąga bardzo duże prędkości liniowe, często większe jak 60 m/s (216 km/h) w stanie pracy ustalonej i jeszcze nieco większe w stanach przejściowych.

 

Energia elektryczna jest wytwarzana w czasie pracy elektrowni wiatrowej przy prędkościach wiatru od 3 m/s do max. 25 m/s. Przy maxymalnej prędkości wiatru, w celach bezpieczeństwa następuje automatyczne zatrzymanie pracy elektrowni, poprzez zadziałanie hamulca hydraulicznego. Moc znamionowa elektrowni jest osiągana przy dość dużej, jak na warunki polskie, prędkości wiatru, równej w zależności konstrukcji wiatraka od 12 do 16 m/s.

 

Generatory asynchroniczne, nawet te o mocy kilku MW są maszynami niskiego napięcia o napięciu znamionowym 690V. Urządzenia te są zazwyczaj przyłączane do sieci średniego napięcia 10 - 40kV. Aby przyłączenie takie było możliwe, elektrownie wiatrowe standardowo wyposażone są w transformatory blokowe, umieszczone w gondoli lub wieży, ewentualnie w kontenerze umieszczonym obok. W przypadku farm wiatrowej dużej mocy a także w zależności od możliwości sieci przesyłowej, przyłączenie może nastąpić poprzez stację GPZ do sieci wysokiego napięcia 110 - 220kV. Przykładową strukturę farmy wiatrowej prezentuję rys.6

 

                     

 

Rys. 6 Przykładowa struktura farmy wiatrowej

 

Technologia synchroniczna

 

Drugim, coraz popularniejszym, typem elektrowni wiatrowych są elektrownie bez przekładniowe wyposażone w generatory synchroniczne np. produkcji firmy VENSYS (rys. 3). Generator synchroniczny nie jest w tym przypadku łączony z systemem elektroenergetycznym bezpośrednio, a przez przekształtnik energoelektroniczny. Brak przekładni i mała prędkość koła wiatrowego (do 40 obr/min) wymuszają stosowanie generatorów synchronicznych specjalnych konstrukcji tj. z bardzo duża ilością par biegunów - dochodzącą do kilkudziesięciu, np. w elektrowni firmy Enercon.

 

                          

 

Rys. 7 Gondola turbiny firmy VENSYS

 

Opis:

1. Łopata wirnika   

2. Zamocowanie centralne      

3. System ustawiania łopaty   

4. Wirnik generatora     

5. Stator generatora      

6. System nakierowania

7. System pomiaru wiatru

8. Podstawa urządzania

9. Wieża

10. Dodatkowy wyciąg

 

Elektrownie wiatrowe z generatorami synchronicznymi i asynchronicznymi są zazwyczaj wyposażone w układ regulacji kąta położenia łopat wirnika, który umożliwia regulowanie mocy uzyskiwanej ze strumienia lub prędkości koła wiatrowego.


 

 Harmonogram przebiegu inwestycji - proces budowy

Harmonogram przebiegu inwestycji budowy elektrowni wiatrowej zawiera listę działań podjętych w celu:

 

- Uzyskania pozwolenia na budowę

- Przyłączenia elektrowni wiatrowych do sieci elektroenergetycznej

- Uzyskania koncesji na wytwarzanie energii elektrycznej w odnawialnych źródłach energii

- Zawarcia umowy na dostawę energii elektrycznej

- Rejestracji członkostwa w Towarowej Giełdzie Energii w celu sprzedaży praw majątkowych do świadectw pochodzenia energii wyprodukowanej w odnawialnym źródle energii.

 

Uzyskanie pozwolenia na budowę wymaga podjęcia szeregu działań. W pierwszej kolejności należy ustalić czy w planowanej lokalizacji jest przygotowany miejscowy plan zabudowy i zagospodarowania terenu i jakie są możliwości jego zmian. Kolejnym krokiem jest uzgodnienie z wójtem gminy możliwości wydania pozytywnej decyzji o warunkach zabudowy dla parku wiatrowego jako urządzeń związanych z działalnością rolniczą. W przypadku negatywnego wyniku tych uzgodnień, należy najpierw ustalić dokładne rozlokowanie turbin w terenie, a następnie dokonać wydzielenia działek przeznaczonych pod turbiny oraz dróg dojazdowych do tych działek. Umożliwi to dokonanie zmian w planie zagospodarowania obejmujących te działki (odrolnienie) i wystąpienie z wnioskiem o wydanie decyzji o warunkach zabudowy i zagospodarowania terenu. Następnym etapem inwestycji jest zgromadzenie niezbędnych warunków do projektowania:

 

- Warunki przyłączenia do sieci elektroenergetycznej

- Uzgodnienia z organami ruchu lotniczego

- Ustalenie czy wymagane jest wykonanie raportu i oceny oddziaływania inwestycji na środowisko oraz zlecenie wykonania raportu

- Wykonanie badań geotechnicznych podłoża, w celu ustalenia nośności gruntu (dojazd, odwierty).

 

Po wykonaniu tych czynności można przystąpić do opracowania kompletnego projektu budowlanego. Zakres takiego projektu powinien obejmować:

 

- Projekt konstrukcyjny fundamentów i montażu turbin wiatrowych

- Projekt energetyczny przyłączenia parku wiatrowego wraz z układem pomiarowo – rozliczeniowym

- Projekt budowlany przyłączenia turbin do sieci 15 kV obejmujący stacje transformatorowe i linie

- Projekt budynków pomocniczych

- Projekt zagospodarowania terenu.

 

Posiadając kompletny projekt budowlany można przystąpić do opracowania kosztorysu robót obejmującego wykonanie dróg dojazdowych, fundamentów pod turbiny, montażu samych turbin, lini elektroenergetycznych i przyłączenia ich do sieci 15 kV, stacji transformatorowych, linii wyprowadzenia mocy, budynków pomocniczych i zagospodarowania terenu. Dopiero wtedy możliwe jest ubieganie się o wydanie pozwoleń na budowę dróg dojazdowych, budynków pomocniczych, fundamentów i montażu turbin wiatrowych oraz linii wyprowadzenia mocy z elektrowni i przyłączy elektroenergetycznych wraz ze stacjami transformatorowymi.

 

Uzyskanie pozwoleń na budowę to pierwszy etap inwestycji budowy farmy wiatrowej. Kolejnym są uzgodnienia z przędsiębiorstwem energetycznym w celu przyłączenia parku budowanego parku wiatrowego do sieci elektroenergetycznej. Pierwszym krokiem jest przeprowadzenie rozmów w zakresie możliwości przyłączeniowych oraz złożenie wniosku o wydanie Warunków Technicznych Przyłączenia (WTP) do sieci 15 kV. Konieczne jest również wykonanie lub zlecenie wykonania Ekspertyzy Wpływu na Sieć po uprzednim uzyskaniu wytycznych. Rozporządzenie Ministra Gospodarki nakazuje każdorazowe dołączanie do wniosku o WTP ekspertyzy, która powinna być wykonana przez „wiodące instytucje badawcze”. W praktyce, ekspertyzy wpływu na Krajowy System Energetyczny (KSE) realizowane są zarówno przez wyższe uczelnie techniczne, instytucje badawcze, spółki-córki zależne od poszczególnych Oporatorów Systemu Rozdzielczego (OSR), jak i osoby fizyczne z uprawnieniami projektowymi w branży energetycznej.

 

Aby mieć możliwość sprzedaży energii elektrycznej wyprodukowanej w odnawialnych źródłach energii niezbędne jest uzyskanie koncesji na wytwarzanie energii. W tym celu należy złożyć wniosek do URE, zgodnie z wykazem dokumentów niezbędnych do uzyskania koncesji. Po uzyskaniu koncesji należy zawrzeć umowę na dostawę energii elektrycznej i świadczenie usług przesyłowych.

 

Produkcja energii elektrycznej z wiatru wymaga od właściciela uzyskania statusu członka Rejestru Świadectw Pochodzenia przy Towarowej Giełdzie Energii. Aby go uzyskać należy złożyć wniosek wraz z odpowiednimi dokumentami:

 

- Dokumenty identyfikacji wnioskodawcy (aktualny odpis z właściwego rejestru wnioskodawcy, dokument potwierdzający nadanie numeru NIP oraz numeru REGON oraz kopię posiadanej koncesji)

- Lista członków zarządu wnioskodawcy wraz z wzorami podpisów tych osób

- Dane osób upoważnionych do reprezentowania wnioskodawcy w kontaktach z Giełdą (wraz z wzorami podpisów, numerami telefonów i adresami poczty elektronicznej oraz pełnomocnictwem dla tych osób do reprezentowania wnioskodawcy).      

 

Ostatnim krokiem jest zawarcie umowy z wybranym Domem Maklerskim o pośrednictwie w obrocie Prawami Majątkowymi do Świadectw Pochodzenia energii wyprodukowanej w odnawialnym źródle energii.

 

Więcej:

 

Schemat budowy siłowni witrowej (plik PDF)  

 

Źródła: 

 

http://www.elektrownie-wiatrowe.pl

 

http://postcarbon.pl  

 

http://www.windtalk.pl/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          

 
problem z obrazem