e.i-04-2005.indb

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 4 / 2 0 0 5

n a p ę d y i w y t w a r z a n i e e n e r g i i

Artykuł jest drugim z serii tekstów tworzących cykl „Techniczno-ekonomiczne przesłan-

ki budowy i instalacji elektrowni wiatrowych w Polsce”. Tym razem autorzy przedstawili

wybrane instalacje o dużych mocach, omówili konstrukcje siłowni wiatrowych i poruszyli

zagadnienia dotyczące współpracy z siecią i rozwiązania problemów technicznych zwią-

zanych z elektrowniami wiatrowymi. Zainteresowanych tematem zachęcamy także do

lektury tekstu, który ukazał się we wrześniowym numerze „elektro.info” 2004. Przed-

stawiono w nim podstawy pozyskiwania energii elektrycznej z wiatru w warunkach pol-

skich. Następna część cyklu będzie dotyczyła zagadnień opłacalności budowy elektrow-

ni wiatrowych i ich wpływu na środowisko naturalne.

n a p ę d y i w y t w a r z a n i e e n e r g i i

techniczne aspekty budowy

i instalacji elektrowni

wiatrowych w Polsce

mgr Renata Dzik, mgr inż. Tomasz Dzik, dr inż. Andrzej Wójciak – Politechnika Warszawska

elektrownie wiatrowe

na świecie i w Europie

becnie instalowane elektrownie
wiatrowe mają moce 0,1÷4,5 MW.

Wybrane dane dotyczące elektrowni
wiatrowych na świecie przedstawia

ta-

bela 1. W tabeli 2 zestawiono dane do-

tyczące europejskich elektrowni wia-
trowych o mocach rzędu MW nato-
miast, ich sylwetki przedstawione są
na

rysunku 1. W warunkach polskich

elektrownie wiatrowe charakteryzu-
ją się czasem wykorzystania mocy za-
instalowanej około 1500 – 2000 godzin
na rok.

budowa siłowni

wiatrowych

Uproszczony schemat budowy typo-

wej siłowni wiatrowej przedstawia

rysu-

nek 2 [12]. Elektrownia wiatrowa skła-
da się z wirnika z rozmieszczonymi na
nim łopatami, który poprzez wał łączy go

z przekładnią i dalej z generatorem. Ca-
łość umieszczona jest na wieży. W gondo-
li znajduje się jeszcze wiele innych urzą-
dzeń wspomagających i kontrolujących
prawidłową pracę tego urządzenia.

praca elektrowni wiatrowej

na sieć wydzieloną

W elektrowniach wiatrowych sto-

suje się wiele typów układów kon-
wersji energii, zarówno z prądnicami
prądu stałego, jak i prądu przemien-
nego (

rys. 3 i rys. 4) [12]. Rodzaj za-

stosowanego układu zależy od prze-
znaczenia siłowni (praca na sieć wy-
dzieloną lub sztywną) oraz jej mocy.

Układ „a” z

rysunku 3 jest prosty, ale

mało uniwersalny ze względu na ener-

Rys. 1 Europejskie elektrownie wiatrowe o mocach rzędu

MW (sylwetki)

Rys. 2 Schemat budowy typowej siłowni wiatrowej

Rys. 3 Schematy układów konwersji w elektrowniach wia-

trowych pracujących na sieć wydzieloną z prądnica-

mi prądu stałego

Rys. 4 Schematy układów konwersji w elektrow-

niach wiatrowych pracujących na sieć wy-

dzieloną z prądnicami prądu przemiennego

Rys. 5 Przykładowy dobowy wykres prądu wytwa-

rzanego z turbiny wiatrowej (17 kwietnia)

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 4 / 2 0 0 5

gię prądu stałego na wyjściu. Ten pro-
blem rozwiązano w układzie „b”, stosu-
jąc falownik, który umożliwi dopasowa-
nie częstotliwości i amplitudy napięcia
do parametrów wymaganych przez od-
biorniki powszechnego użytku. Podob-
nie jest w układach z prądnicami prądu
przemiennego, tylko dodatkowo trzeba
stosować w nich prostownik. Przy ta-
kich konﬁguracjach, aby zapewnić cią-
głość dostaw energii, potrzebne jest za-
stosowanie baterii akumulatorów.

praca elektrowni wiatrowej

na sieć sztywną (układy

energetyki zawodowej)

W elektrowniach wiatrowych w wy-

niku zmian prędkości wiatru następu-
ją znaczne zmiany w ilościach produ-
kowanej energii. Przykładowy dobo-
wy wykres wytwarzanego prądu z 17
kwietnia przedstawiony został na

ry-

sunku 5. W przypadku dołączania du-
żej liczby elektrowni wiatrowych do sie-

ci energetycznej mogą powstać proble-
my związane z niestabilnością systemu
energetycznego (wahania napięć). Ta-
kie trudności występują przy stosowa-
niu układów z maszyną asynchroniczną
(rys. 6). Problem ten można częściowo
złagodzić, stosując w elektrowni wiatro-
wej złożone systemy maszyn elektrycz-
nych pracujące w połączeniu z układa-
mi energoelektronicznymi, przedsta-
wiają to

rysunki 7, 8 i 9.

Są to jednak rozwiązania znacznie

droższe niż układy z maszyną asyn-
chroniczną i tylko częściowo rozwiązu-
ją problem. Ze względu na negatywny
wpływ elektrowni wiatrowych (wraz
z wzrastającą ich mocą) na sieć energe-
tyczną w Polsce, konieczne jest włącze-
nie tych elektrowni do sieci wysokie-
go napięcia (WN). Jednak w tym przy-
padku wzrasta koszt aparatury łącze-

niowej. Najlepszym rozwiązaniem pro-
blemu jest wyposażenie sieci elektrycz-
nej w tzw. lokalne zasobniki energii,
które mogłyby w sposób natychmia-
stowy magazynować nadwyżki energii
z elektrowni wiatrowych i oddawać te
nadwyżki do sieci w przypadku braku
energii z tych elektrowni.

Rysunek 10

przedstawia schemat blokowy takiego
zasobnika energii. Jest to jednak roz-
wiązanie bardzo kosztowne.

elektrownie hybrydowe

Rozwiązaniem w miarę stabilnego

przekazywania energii do odbiornika
lub sieci energetycznej jest łączenie elek-
trowni wykorzystujących źródła odna-
wialne w elektrownie hybrydowe.

Ry-

sunek 11 przedstawia schemat blokowy
takiej hybrydowej elektrowni słonecz-

no-wiatrowej. Przeprowadzone badania
wykazały, że w układzie tym jest stosun-
kowo łatwo realizować zasadę „maksi-
mum energii ze źródła najtańszego”, co
poprawia opłacalność takich elektrowni.
Inny przypadek zastosowania elektrow-
ni hybrydowej przedstawia

rysunek 12.

Zastosowano w nim „magazyn wodoru”
dla usprawnienia pracy układu z turbi-
ną wiatrową. Układ taki mógłby zasilać
w energię elektryczną np. miasto.

koncepcja hybrydowej

elektrowni wiatrowej

z zasobnikiem energii

Znane wady elektrowni wiatro-

wych, takie jak: zależność ilości pro-
dukowanej energii od warunków ze-
wnętrznych, mała dyspozycyjność
elektrowni wiatrowej zależna od pory
dnia i pory roku oraz natychmiasto-
we odłączenie od sieci w przypadku
przekroczenia dopuszczalnej prędkości
wiatru (gwałtowne stany przejściowe)
itp., są przyczyną, że elektrownie wia-
trowe źle współpracują z sieciami nn.
Dlatego włącza się to źródło energii do
sieci WN. Rozwiązanie takie jest akcep-
towalne z punktu widzenia techniki,
lecz pociąga za sobą znaczne koszty.
Trudno sobie wyobrazić budowę GPZ
dla jednej elektrowni wiatrowej o mo-
cy 2÷4 MW. Rozwiązanie takie jest eko-

Rys. 9 Turbina wiatrowa z maszyną dwu-

stronnie zasilaną (pierścieniową)

i układem energoelektronicznym

Rys. 6 Maszyna asynchroniczna

Rys. 10 Zasobnik energii elektrycznej

Rys. 11 Hybrydowa elektrownia słoneczno-wiatrowa

Rys. 7 Turbina wiatrowa z prądnicą

synchroniczną, prostownikiem

i falownikiem

Rys. 8 Turbina wiatrowa z prądnicą syn-

chroniczną, prostownikiem, fa-

lownikiem i magazynem energii

Nazwa

Średnica wirnika

[m]

Moc

[KW]

Kraj

producenta

Rok

uruchomienia

NEWECS-45

1000

1986

WINDANE-40

750

1986

ELSAM-2000

2000

1987

HWP-1000

1000

1989

AWEC-60

1200

1989

WKA-60

1200

1989

MONOPTE-ROS-50

640

1989

GAMMA-60

1500

1989

Tab. 2 Europejskie elektrownie wiatrowe o mocach rzędu MW

Cecha

Nazwa

Kraj

Średnica

wirnika [m]

Moc

[kW]

oś ozioma

Największa

średnica wirnika

GROWIAN

Niemcy

100,4

3 000

MOD-2

USA

91,5

2 500

Największa moc

WTS-4

USA

4 000

WTS-3

Szwecja

3 000

oś pionowa

Jednopłatowe

SYLT

Niemcy

250

Bremerhaven (MONOPTEROS) Niemcy

370

Typ Darrieus

ALCOA

USA

25 + 37

500

WANT

Kanada

24 + 36

230

Tab. 1 Wybrane dane dotyczące elektrowni wiatrowych na świecie

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 4 / 2 0 0 5

n a p ę d y i w y t w a r z a n i e e n e r g i i

nomicznie uzasadnione dla farmy wia-
trowej składającej się z kilku lub kilku-
nastu elektrowni wiatrowych. Jednak
i w tym przypadku koszty całej inwe-
stycji są bardzo wysokie. Z tego powo-
du w Zakładzie Elektrowni i Gospodar-
ki Elektroenergetycznej IEN Politech-
niki Warszawskiej podjęto prace ma-
jące na celu opracowanie układu elek-
trowni wiatrowej z zasobnikiem ener-
gii elektrycznej. Zarysowały się dwie
możliwości rozwiązania problemu: za-
stosowanie zasobnika krótkookreso-
wego (np. dobowego), w którym zosta-
nie użyta bateria chemiczna, lub budo-

wa układu hybrydowego, w którym bę-
dzie równolegle pracowała bateria che-
miczna z ogniwem paliwowym.

Szybkie zmiany produkowanej przez

turbinę energii będą kompensowane
z baterii chemicznej. Natomiast ogni-
wo paliwowe będzie dostarczać energię
wtedy, gdy generator wiatrowy nie pra-
cuje, np. z powodu braku wiatru. Naj-
lepsze w tym przypadku będzie ogni-
wo paliwowe typu SOFC.

Rysunki 13

14 przedstawiają dwa przypadki włą-

czenia zasobnika energii w układach
hybrydowych z turbiną wiatrową.

W pierwszym przypadku układ za-

sobnika kompensuje „niedobory” i „na-
dwyżki” energii wynikające ze zmia-
ny ilości energii dostarczanej z turbi-
ny wiatrowej. W przypadku drugim
układ zasobnika kompensuje „niedo-
bory” i „nadwyżki” energii w węźle sie-
ci energetycznej. W układzie przedsta-
wionym na

rysunku 13 zasobnik ener-

gii może być tak zaprojektowany, aby
kompensował tylko wartości energii
równe maksymalnej mocy znamiono-

wej elektrowni wiatrowej. W przypad-
ku drugim przy założeniu stałej war-
tości napięcia w węźle zasobnik musi
kompensować zarówno chwilowe
braki energii dostarczanej z elektrow-
ni wiatrowej, jak i też braki wynika-
jące z załączonych do węzła odbiorni-
ków energii elektrycznej. Z tego powo-
du energoelektroniczne układy prze-
twarzania będące integralną częścią
zasobnika energii muszą być znacznie
przewymiarowane mocowo niż ma to
miejsce przypadku pierwszym. Przy-
kładowy schemat układu przetwarza-
nia zasobnika energii przedstawia

ry-

sunek 15. Hybrydowa elektrownia wia-
trowa z zasobnikiem energii, w skład
którego wchodzi bateria chemiczna
i ogniwo paliwowe, jest obecnie bada-
na laboratoryjnie.

literatura

1. American Wind Energy Associa-

tion: Facts about wind energy &
birds.

2. D. Burza, Elektrownie wiatrowe

alternatywnym  źródłem  ener-
gii dla małych i średnich przed-
siębiorstw,  Zarządzanie  małym
i średnim  przedsiębiorstwem
w Polsce i w krajach Unii Euro-
pejskiej, red. naukowa Anna Ba-
zan-Bulanda,  Piotr  Bartkowiak,
Częstochowa 2003.

3. A. Dmowski, Biczel, B. Kras,

Aspekty techniczno-ekonomicz-
ne wykorzystania wybranych od-
nawialnych źródeł energii w ener-
getyce. Ekologiczne Aspekty Wy-

Rys. 13 Schemat blokowy układu hybrydowej elektrowni wiatrowej z prądnicą syn-

chroniczną i zasobnikiem energii, w skład którego wchodzi bateria chemicz-

na i ogniwo paliwowe

Rys. 14 Schemat blokowy układu hybrydowej elektrowni wiatrowej z maszyną

asynchroniczną i zasobnikiem energii, w skład którego wchodzi bateria che-

miczna i ogniwo paliwowe.

Rys. 15 Schemat układu przetwarzania zasobnika energii

Rys. 12 Elektrownia wiatrowa z ma-

gazynem wodorowym

twarzania Energii Elektrycznej,
Warszawa, 14-16.11.2001.

4. G. Hellmann G, Über die Bewe-

gung der Luft in den untersten
Schichten der Atmosphäre. Met.
Z., Bd.32, Nr 1, 1915.

5. Katalog „Elektrownia wiatrowa

typu SEEWIND 25 / 132” ﬁrmy
ESV Sp. z o.o.

6. W. Lewandowski, Proekologicz-

ne źródła energii odnawialnej,
WNT, Warszawa 2002.

7. K. Marcinek, Finansowa ocena

przedsięwzięć inwestycyjnych
przedsiębiorstw, Akademia Eko-
nomiczna w Katowicach, Katowi-
ce 1998.

8. J. Paska, A. Staniszewski, Podsta-

wy elektroenergetyki: metody wy-
twarzania energii elektrycznej.
Oﬁcyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 1994.

9. E. Ratajczak, Opłacalność budowy

farm elektrowni wiatrowych du-
żej mocy dla wybranych lokaliza-
cji na północy polski, AP ’01, Ak-
tualne Problemy w Elektroenerge-
tyce, Jurata, 6-8 czerwca 2001.

10. A. Siwek, W. Orlewski, Problemy in-

stalowania elektrowni wiatrowych
oraz oddziaływanie ich na środo-
wisko, Ogólnopolskie Forum Od-
nawialnych Żródeł Energii 2004.

11. H.L. Wegley, A Siting Handbook

for Small Energy Conversion Sys-
tems. US Dept. of Energy, 1980.

12. www.elektrownie.lh.pl.
13. http://el-wiatrowe.republika.pl/

riso.html.

14. www.elektrownie-wiatrowe.org.pl.