Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu

Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu (VAWT, od angielskiego vertcal axis wind turbine) stanowią alternatywne podejście do wykonania turbiny wiatrowej. W odróżnieniu od tradycyjnych turbin, charakteryzują się one pionowym ustawieniem osi obrotu.

Pionowe turbiny wiatrowe (pod tą nazwą występują najczęściej) są zdolne do całkiem efektywnego wykorzystania wiatru napływającego z dowolnego, albo dość szybko zmieniającego się kierunku, co sprawia, że są bardziej elastyczne w różnych warunkach atmosferycznych. Działają też lepiej od tradycyjnych turbin, gdy zamontowane są nisko nad ziemią, w obszarze narażonym na występowanie różnego rodzaju zawirowań.

Pomimo pewnych wyzwań związanych z ich rozwojem, takich jak niższa sprawność w porównaniu do tradycyjnych turbin i pewne problemy z ich wykonaniem, pionowe turbiny wiatrowe przyciągają uwagę jako innowacyjne rozwiązanie w dziedzinie odnawialnych źródeł energii, szczególnie w kontekście zastosowań miejskich i obszarów o niskich prędkościach wiatru. Czyli… Polski. Nie bez przyczyny widać ich coraz więcej!

Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu. Gdzieś w Polsce. 😉

Pionowe turbiny wiatrowe mają kilka zalet, takich jak mniejsza konieczność dostosowywania się do zmieniającego się kierunku wiatru i zdolność do umieszczania generatorów na ziemi, co ułatwia konserwację i naprawy. Jednakże, w praktyce, tradycyjne turbiny o poziomej osi obrotu (HAWT) są obecnie bardziej powszechne ze względu na ich wyższą sprawność i mniejsze straty energetyczne. Pomimo to, pionowe turbiny wiatrowe są nadal badane i rozwijane jako alternatywa w niektórych zastosowaniach.

Budowa pionowej turbiny wiatrowej

Pionowa turbina wiatrowa różni się od tradycyjnych turbin o poziomej osi obrotu pod względem budowy, ale już nie z perspektywy zasady działania. Oto podstawowy opis tego, jak działa pionowa turbina wiatrowa.

Pionowe turbiny wiatrowe mają oś obrotu ustawioną pionowo, prostopadle do powierzchni ziemi. Łopatki rozmieszczone są wokół osi obrotu, tworząc konstrukcję wirnika podobną do ubijaczki do piany z domowego miksera. Łopatki mogą mieć różne kształty, a ich liczba może się różnić w zależności od projektu.

Turbinę wiatrową o pionowej osi obrotu można na przykład wykonać z dwóch beczek (turbina wiatrowa Savoniusa). Jej łopaty mogą mieć też zupełnie inny profil (turbina wiatrowa Darrieusa).

Jak działa turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu?

Zasada działania jest identyczna, jak w przypadku tradycyjnych turbin o poziomej osi obrotu. Wiatr napotykający łopatki turbiny generuje moment obrotowy, który powoduje obrót wirnika wokół osi pionowej.

W miarę obracania się wirnika, łopatki przechodzą przez obszar wiatru, co powoduje zmianę ich kąta względem kierunku wiatru. W ten sposób generowana jest siła nośna, a w rezultacie powstaje siła napędzająca obrót wirnika.

Część ruchu łopaty wokół turbiny jest w pewnym sensie jałowa, tj. nie generuje użytecznego momentu obrotowego, a wręcz stawia opór. To odróżnia turbiny pionowe od poziomych, w których łopata przez cały okres obrotu wokół osi generuje moment obrotowy. Z tego względu sprawność turbin o pionowej osi obrotu jest mniejsza, bo część energii wiatru wykorzystywana jest do pokonania wspomnianego oporu.

Jeśli chodzi o generator, to tu nie ma nic zaskakującego. Obracający się wirnik jest z nim połączony, co pozwala przekształcać ruch obrotowy w energię elektryczną. W przeciwieństwie do tradycyjnych turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu, pionowe turbiny wiatrowe czasami połączone są ruchomym wałem z generatorem znajdującym się na ziemi. W przypadku turbin tradycyjnych, generator niemal zawsze umieszczony jest w gondoli.

Zalety pionowych turbin wiatrowych (VAWT)

Pionowe turbiny wiatrowe są zdolne do efektywnego wykorzystywania wiatru z różnych kierunków, co sprawia, że są bardziej uniwersalne w warunkach zmieniającego się kierunku wiatru.

Co więcej, nie wymagają dostosowywania się (obracania się) do zmieniającego się kierunku wiatru, co może zwiększać ich efektywność w warunkach o zmiennym wietrze. To ma kluczowe znaczenie na niskich wysokościach nad ziemią, gdzie wiatr zderza się z obiektami, wywołując zawirowania. Mała zmiana kierunku wiatru na obszarze zabudowanym może powodować lokalną dość istotną zmianę w miejscu zamontowania turbiny. To jednak nie oznacza konieczności zmiany ustawienia gondoli, jak w przypadku tradycyjnej turbiny.

Niektórzy uważają, że pionowe turbiny wiatrowe są pod pewnymi względami łatwiejsze w utrzymaniu. Ze względu na pionową os obrotu, nie wymagają one skomplikowanego układu obrotowego i łożysk, co ułatwia konserwację i naprawy. Z drugiej strony, wirnik zazwyczaj wymaga solidnych łożysk, na których się obraca, a niektóre konstrukcje montowane są z dwóch stron (tj. u dołu i u góry wirnika).

Generatory turbin pionowych mogą być ustawione bezpośrednio na gruncie, co ułatwia dostęp do nich dla konserwacji i napraw, a także eliminuje konieczność stosowania wież do ich montażu. Dzięki temu sama wieża może być nieco lżejsza, choć kosztem biegnącego przez środek wału przekazującego moment obrotowy do generatora.

Wady pionowej turbiny wiatrowej (VAWT)

Pionowe turbiny wiatrowe, obecnie, często charakteryzują się niższą sprawnością w porównaniu do tradycyjnych turbin o poziomej osi obrotu (HAWT), co może wpływać na ich ekonomiczną atrakcyjność.

Pionowe turbiny zazwyczaj są droższe niż tradycyjne o tej samej mocy. W porównaniu z tradycyjnymi, pionowe turbiny są na rynku krócej, a zatem ich konstrukcje są w mniejszym stopniu zoptymalizowane.

Warto podkreślić, że rozwój technologii pionowych turbin wiatrowych nadal trwa, a niektóre z wad mogą być z czasem zminimalizowane lub przezwyciężone poprzez innowacje i badania.

Energetyka wiatrowa: wyzwania i perspektywy

Polska jest jednym z krajów Unii Europejskiej, który aktywnie stawia na rozwój farm wiatrowych jako część swojej strategii energetycznej. Aktualny stan rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce jest wypadkową nie zawsze dobrych działań rządu oraz inwestycji mniej lub bardziej prywatnych firm energetycznych.

Intensywna rozbudowa elektrowni wiatrowych to ważny krok w kierunku zrównoważonego rozwoju i stworzenia czystego źródła energii, ale wiąże się z wieloma różnymi wyzwaniami. Chciałbym o nich dziś trochę napisać.

To szczególnie ważne w sytuacji, gdy regularnie notujemy rekordy produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Tydzień temu OZE zaspokajało 97% zapotrzebowania na prąd w Polsce, ceny spadły poniżej zera, a dużo energii eksportowaliśmy za granicę. A potencjał produkcji wynosił 107%. Więcej na ten temat przeczytasz w artykule w serwisie wysokienapiecie.pl.

Złe skutki zasady „10 H”

Zasada „10 H” dotyczyła planów rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce i polegała na ustaleniu minimalnej odległości między nowymi farmami wiatrowymi a zabudowaniami mieszkalnymi na poziomie co najmniej 10-krotności wysokości wiatraka. Oznacza to, że na przykład, jeśli wiatrak miał wysokość 150 metrów, to musiałby być zlokalizowany co najmniej półtora kilometra od najbliższego budynku mieszkalnego!

Wprowadzenie tej zasady niesie ze sobą szereg negatywnych skutków.

Wprowadzenie zasady „10 H” poważnie ograniczyło dostępne obszary do budowy nowych farm wiatrowych, zwłaszcza w gęsto zaludnionych regionach Polski. Wielu miejscowych inwestorów i firm energetycznych miało trudności ze znalezieniem odpowiednich terenów, które spełniałyby te kryteria. Czasami było to po prostu niemożliwe.

Zasada ta w ogromnym stopniu zwiększyła koszty inwestycji w energetykę wiatrową, ponieważ konieczne było szukanie i zakup bardziej oddalonych działek, co z kolei wpłynęło na opłacalność projektów. Do każdej takiej działki trzeba było przecież zorganizować dojazd w celu zainstalowania turbiny wiatrowej, co mogło się wiązać na przykład z koniecznością utwardzenia odcinka gruntowej drogi. Po stronie zakładów energetycznych wymusiło zaś wykonywanie dłuższych przyłączy energetycznych, co też nie dzieje się za darmo.

Ostatecznie uważa się, że wprowadzenie zasady „10 H” spowodowało spowolnienie rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce. Warto jednak zaznaczyć, że przyczyny i skutki wprowadzenia tej zasady były kontrowersyjne i różne grupy interesów miały odmienne zdania na ten temat. Dla niektórych była to próba ochrony mieszkańców przed potencjalnymi negatywnymi skutkami dla zdrowia i środowiska, podczas gdy inni uważali, że zasada „10 H” była zbyt restrykcyjna i ograniczała rozwój odnawialnych źródeł energii w Polsce. Ostatecznie, w marcu 2023 roku zdecydowano się zmniejszyć restrykcje związane z tą zasadą. W dużym skrócie, minimalna odległość elektrowni wiatrowej od budynków mieszkalnych ma wynosić teraz 700 metrów (choć postulowano obniżenie tej odległości do 500 metrów).

Autor tego artykułu był kiedyś na rowerowej wycieczce w Holandii i spał na polu namiotowym 200 metrów od pracującego wiatraka. Dlatego jest zwolennikiem dalszego skrócenia wspomnianej wyżej odległości.

Infrastruktura przesyłowa

Rozwój energetyki wiatrowej niesie ze sobą wyzwania związane z infrastrukturą przesyłową, która jest kluczowym elementem umożliwiającym przesyłanie wyprodukowanej energii z farm wiatrowych do odbiorców. Będziemy to obserwować szczególnie dlatego, że planujemy rozwój energetyki wiatrowej na Bałtyku, a większość dużych (przemysłowych) odbiorców prądu znajduje się na południu kraju.

Istniejące sieci przesyłowe często nie były projektowane z myślą o obsługiwaniu energii wiatrowej. Konieczne jest dostosowanie infrastruktury do przyjęcia większej ilości energii wiatrowej. To może wymagać modernizacji i rozbudowy istniejących linii przesyłowych oraz stacji przesyłowych.

Sieci przesyłowe muszą być niezawodne i odporne na awarie. Wprowadzenie dużej ilości energii wiatrowej do sieci może wprowadzać dodatkowe ryzyko powstawania różnych stanów nadzwyczajnych. Jeśli chcemy unikać wyłączania elektrowni wiatrowych, musimy zapewnić możliwość efektywnego odbierania od nich energii i przesyłania jej nawet do bardzo oddalonych, zagranicznych odbiorców.

Modernizacja i rozbudowa sieci przesyłowych wiążą się z dużymi kosztami. Konieczne jest znalezienie odpowiedniego finansowania, a także ustalenie, kto ponosi te koszty – czy inwestorzy w farmy wiatrowe, operatorzy sieci czy ostateczni klienci. Chociaż gdy się nad tym zastanowić, to te koszty zawsze i tak poniosą klienci końcowi, odbiorcy energii elektrycznej, bo zostaną na nich przeniesione w cenach prądu lub opłatach przesyłowych.

Pewnym rozwiązaniem tego problemu mogą być zachęty do lokowania energochłonnych instalacji bliżej źródła, na Pomorzu albo Mazurach. Wiadomo, że trudno może być tam przenieść huty, ale serwerownie i centra obliczeniowe, dla przykładu, już znacznie łatwiej. Więcej informacji na ten temat znajdziecie w tym artykule w serwisie wysokienapiecie.pl, z którego zaczerpnąłem powyższą grafikę.

Zagospodarowanie nadwyżek i magazynowanie energii

To chyba największe wyzwanie…

Energetyka wiatrowa jest uzależniona od warunków atmosferycznych, co oznacza, że produkcja energii wiatrowej jest niezbyt stabilna. Wiatr nie zawsze wieje z równą siłą, co skutkuje fluktuacjami w dostawie energii. Skutki tego zjawiska pozwala w pewnym stopniu ograniczyć rozbudowa elektrowni wiatrowych na obszarze całego kontynentu, bo niemal zawsze gdzieś intensywnie wieje. Niemal zawsze, ale nie zawsze.

Z drugiej strony, zużycie energii przez odbiorców nie jest zawsze zsynchronizowane z produkcją w elektrowniach wiatrowych. Dlatego istnieje potrzeba magazynowania nadmiaru energii w okresach, gdy jest ona dostępna, aby dostarczyć ją w okresach, gdy zapotrzebowanie jest wyższe.

Co więcej, w celu zwiększenia udziału odnawialnych źródeł energii w krajowym bilansie energetycznym i redukcji emisji gazów cieplarnianych, istotne jest optymalne wykorzystanie energii wytwarzanej przez elektrownie wiatrowe, nawet gdy nie jest ona w danym momencie potrzebna. Niestety, wprowadzanie dużej ilości energii wiatrowej do sieci może wprowadzać niestabilność i przeciążenia, co może prowadzić do awarii. Magazynowanie nadmiaru energii może więc pomóc w równomiernym rozkładzie dostaw energii.

Z kolei z perspektywy odbiorców, magazynowanie energii może pomóc w wykorzystaniu tańszej energii w okresach, gdy jest ona dostępna w nadmiarze i dostarczanie jej w okresach, gdy ceny energii są wyższe. Posiadanie magazynów energii może też pozwolić na zapewnienie ciągłości dostaw energii w przypadku awarii w elektrowniach wiatrowych ale także uszkodzeń sieci przesyłowej lub dystrybucyjnej (czyli blackoutu). Więcej na temat przygotowań na blackout powiedziałem w materiale o 10 najpotrzebniejszych rzeczach na awarię zasilania, opublikowanym na blogu Domowy Survival. Można go też obejrzeć w formie wideo na YouTube.

Magazyny energii nie są tanie, ale być może nie są jedynym rozwiązaniem. Może dałoby się zdalnie włączać i wyłączać urządzenia elektryczne, aby zagospodarować nadwyżkę, gdy się pojawia. Przykładowo, w szczycie lata, gdy temperatury są wysokie i klimatyzatory muszą pracować, można byłoby uruchamiać je wcześniej i na dłużej, aby zagospodarować nadmiar energii z fotowoltaiki. Analogicznie, w zimowe noce można byłoby pozwolić na dłuższą pracę pomp ciepła, aby skonsumować nadmiar prądu z elektrowni wiatrowych, a później je wyłączyć, gdy prąd zaczną pobierać inne urządzenia. O takim zdalnym zarządzaniu popytem i magazynowaniu prądu w formie ciepła w domu pisałem dwa lata temu.

Zimowe rekordy produkcji z OZE

Nie dalej jak latem pisałem o rekordowym udziale odnawialnych źródeł energii w produkcji prądu w polskim systemie elektroenergetycznym. Latem mamy dużo prądu z fotowoltaiki, więc takie rekordy nie dziwią.

W czerwcu momentami nawet 2/3 prądu pochodziło z OZE. Tymczasem bardzo dobre wyniki udało nam się wykręcić na przełomie 2022 i 2023 roku.

W czasie świąteczno-noworocznej przerwy, gdy zapotrzebowanie na prąd spada, konieczne było nawet ograniczanie produkcji energii elektrycznej z turbin wiatrowych, ponieważ była zwyczajnie zbyt duża do bezpiecznego zagospodarowania w kraju.

Czytaj dalej…

Najlepsze rozwiązania fotowoltaiczne dla rolnictwa

Wzrost poziomu produkcji rolnej na przestrzeni ostatnich dwudziestu lat zmusza gospodarzy oraz inwestorów do szukania oszczędności energetycznych. Dodatkową zachętą do stosowania nowoczesnych rozwiązań fotowoltaicznych są liczne programy wsparcia. Jakie rodzaje z dziedziny fotowoltaiki mogą wpłynąć na wydajność polskiego rolnictwa? Przyjrzyjmy się możliwościom magazynowania oraz przetwarzania energii energetycznej!

Fotowoltaika – wartościowe przedsięwzięcie dla każdego rolnika

Wszystkie z proponowanych przedsięwzięć modernizacyjnych uzyskać można nie tylko dzięki własnym środkom finansowym, ale przede wszystkim drogą dofinansowania. Najpopularniejszym sposobem dofinansowania obecnie wydaje się być Program Agroenergia. Każdy rolnik, prowadzący mniejsze lub większe gospodarstwo, może zdecydować się na instalacje w postaci:

  • fotowoltaiki klasycznej, paneli słonecznych przetwarzających energię o różnej mocy
  • instalacji wiatrowych
  • pomp ciepła

Wybór właściwego rozwiązania fotowoltaicznego dla rolnictwa

Typ magazynu gromadzącego energię każdy rolnik powinien dopasować do posiadanych zasobów i stopnia zapotrzebowania energetycznego, dzięki któremu zasilone zostanie całe gospodarstwo. Im większe możliwości i przetwórstwo przemysłowe (zarówno o charakterze roślinnym i zwierzęcym), tym więcej potrzeba będzie zmagazynowanej energii i efektywnych narzędzi wysokiej mocy. Warto zapoznać się z propozycjami wydajnych instalacji hybrydowych, które wraz z magazynami energii elektrycznej współtworzą optymalny kompleks zarządzania energią.

Fotowoltaika w postaci biogazowni rolniczych oraz elektrowni wodnych

Każdy właściciel gospodarstwa rolnego, któremu zależy na szybkim zmodernizowaniu swojej działalności, powinien zainwestować w biogazownię rolniczą, zwieńczeniem której jest montaż instalacji produkującej biogaz, absolutnie bezpieczny dla naturalnego środowiska, znacznie bardziej wydajny w stosunku do gazu pozyskiwanego w dotychczas znane, komercyjne sposoby. Gospodarzom inwestującym nie tylko w grunty orne i hodowlę, ale także w akweny wodne na szeroką skalę poleca się korzystanie z mocy elektrowni wodnych. Moc nie powinna przekraczać ok. 500 kW. Poziom magazynów energetycznych jest bardzo zbliżony.

Kto może zainwestować w nowoczesne farmy fotowoltaiczne?

Dofinansowywane farmy fotowoltaiczne dostępne są dla wszystkich osób fizycznych, które mianują się właścicielami i dzierżawcami nieruchomości rolnych. Zsumowana powierzchnia rolnych ziem powinna mieścić się w granicach od 1 do 300 ha. Dofinansowanie otrzymać mogą ci gospodarze, którzy do momentu złożenia wniosku przynajmniej przez rok oficjalnie prowadziły swoje gospodarstwo. Na wsparcie finansowe przy zakładaniu paneli fotowoltaicznych z przeznaczeniem energetyki rolniczej liczyć mogą również wszyscy, którzy prowadzą usługi rolnicze (produkcja żywności, surowców naturalnych, itp.) Do grona beneficjentów niestety nie są zaliczani gospodarze prowadzący schroniska dla zwierząt oraz kowale zajmujący się końmi.

Gdzie polecane są poszczególne rozwiązania fotowoltaiczne?

Proponowane instalacje fotowoltaiczne dla rolnictwa traktować można bardzo indywidualnie. Wydajne pompy ciepła ratują budżet gospodarstw, których działalność w dużym stopniu zależy od wykorzystywania najnowocześniejszych sprzętów i pojazdów pobierających rekordową ilość energii. Badania techniczne przeprowadzane na przestrzeni ostatnich lat udowodniły już, iż farmy fotowoltaiczne efektywniej wytwarzają i magazynują energię od archaicznych już agregatów prądotwórczych. Fotowoltaikę klasyczną, w postaci paneli zainstalować można nie tylko w formie naziemnej, ale również w postaci współtworzącej gospodarską architekturę, co ma ogromne znaczenie również dla aranżacji i zoptymalizowania ergonomii przestrzeni. Dachy fotowoltaiczne, zainstalowane na obiektach przemysłu rolnego, w projektowanych szklarniach i w miejscach hodowli trzody to w tej chwili optymalne wsparcie energetyczne, dodatkowo każdy rolnik zyskuje bezpieczeństwo konstrukcji oraz wysoką wydajność materiałową.

Wyspy, na których jest za dużo prądu

W Polsce ogromna większość prądu, który zużywamy, pochodzi z paliw kopalnych, w szczególności węgla brunatnego i kamiennego. Przydałoby się nam więcej energii ze źródeł odnawialnych.

Ale są takie miejsca, w których energii ze źródeł odnawialnych jest za dużo. Na tyle dużo, że nie wykorzystuje się ogromnej części istniejącego potencjału zagospodarowania tej energii.

Mowa o Orkadach, archipelagu 67 wysp na północ od wybrzeży Szkocji. Wyspy te mają świetną lokalizację pozwalającą na wytwarzanie ogromnych ilości energii z wiatru oraz pływów morskich. Ilość prądu, którą w tej chwili wytwarzają, przewyższa zapotrzebowanie do tego stopnia, że we wrześniu 2012 wprowadzono moratorium na budowanie nowych turbin wiatrowych! Te istniejące zaś niejednokrotnie są wyłączane, kiedy podaż energii w sieci przewyższa popyt.

Czytaj dalej…