W II kampusie Politechniki Opolskiej, na dachu budynku Instytutu Elektroenergetyki i Energii Odnawialnej, od prawie trzech lat pracuje farma wiatrowa złożona z pięciu turbin. 

Wprowadzenie

Obecnie oprócz dużych elektrowni wiatrowych złożonych z kilku, kilkunastu, kilkudziesięciu czy nawet kilkuset wielogabarytowych generatorów wiatrowych, których wieże mają nawet 180 m wysokości (czyli ponad dwa razy więcej niż wysokość statuy wolności w Nowym Jorku), średnice obracających się łopatek wirnika dochodzą do 160 m (ponad dwa razy więcej niż rozpiętość skrzydeł Boeninga 747), a moc osiąga poziom 8 MW, coraz częściej, również w naszym kraju, można spotkać mniejsze turbiny wiatrowe, o stosunkowo małych mocach rzędu kilku czy kilkunastu kW. Na świecie istnieje ponad 200 opatentowanych konstrukcji, co powoduje, że dostępne na rynku spektrum rozwiązań jest bardzo szerokie. Należy przy tym podkreślić, że w większości ich rozwiązania techniczne bazują na dwóch podstawowych konstrukcjach zaproponowanych i opatentowanych odpowiednio przez francuskiego inżyniera Darrieusa w 1931 roku i fińskiego wynalazcy Savoniusa w 1922 roku.

Do niewątpliwych zalet turbin małych mocy można między innymi zaliczyć:

• stosunkowo cichą pracę, emitowane dźwięki w zakresie słyszalnym przez ucho ludzkie rzadko przekraczają poziom 35 dB czyli emitowany hałas jest praktycznie porównywalny do szelestu liści na drzewach,
• brak znaczących oddziaływań w zakresie infradźwięków,
• duży zakres prędkości wiatru, przy których mogą produkować energię elektryczną najczęściej jest to przedział od 1 m/s do 25 m/s,
• długi czas życia szacowany przez producentów na 25 lat,
• możliwość instalacji na istniejących konstrukcjach dachowych w obszarach silnie zurbanizowanych oraz brak budowania oddzielnie posadowionych konstrukcji nośnych.

Można przy tym zwrócić uwagę, że niedawna nowelizacja Prawa energetycznego czyli tzw. Mały trójpak energetyczny zwalnia użytkowników mikro- (o łącznej mocy elektrycznej do 40 kW) i małych instalacji (o mocy w zakresie od 40 do 200 kW) odnawialnych źródeł energii, w tym turbin wiatrowych, z konieczności prowadzenia działalności gospodarczej i posiadania koncesji na sprzedawaną do zawodowej sieci elektroenergetycznej wyprodukowanej energii elektrycznej, dodatkowo po gwarantowanej przez państwo ściśle określonej cenie.

Dane statystyczne

• Tylko w 2013 roku na świecie zainstalowano około 1 miliona nowych mikroturbin wiatrowych, z czego w Polsce około 3200 sztuk o sumarycznej mocy ok. 8,2 MW,
• Sumaryczna moc wszystkich instalacji małych turbin wiatrowych wynosiła na koniec 2013 – 1 GW (1000 MW) – co stanowi równowartość mocy średniej elektrowni konwencjonalnej.
  Dla przykładu elektrownia Opole ma moc ok. 1,4 GW, moc największej w Polsce i jednocześnie największej na świecie opalanej węglem brunatnym elektrowni Bełchatów wynosi 5,4 GW.
• Przeszło 300 firm na świecie produkuje turbiny małej mocy, natomiast w Polsce jest pięciu producentów, a przeszło 150 firm ma je w swojej ofercie handlowej, które zatrudniają na stałe przeszło 400 pracowników
• przy zachowaniu dotychczasowego rocznego tempa przyrostu na poziomie 35 % szacuje się, że do końca 2020 roku sumaryczna moc turbin wiatrowych będzie wynosić ok. 3,5 GW, natomiast w wariancie bardzo optymistycznym przekroczy nawet poziom 5 GW.
• Koszt zainstalowania małej turbiny wiatrowej w Stanach Zjednoczonych to wydatek wahający się w zależności od konstrukcji od 2300USD/w przeliczeniu na 1 kW mocy zainstalowanej do nawet 10.000 USD/kW.
  Dla porównania w Chinach wynosi średnio około 1900 USD/kW. Natomiast cena oferowanych w Polsce rozwiązań zaczyna się od poziomu ok. 15000 zł/kW.

Małe turbiny wiatrowe mają bardzo szerokie spektrum potencjalnych praktycznych zastosowań, do których z pewnością można zaliczyć:

• zasilanie energią elektryczną domów jedno i wielorodzinnych, małych gospodarstw rolnych i zakładów przetwórstwa rolno-spożywczego, farm, czy pastwisk, zabudowań zlokalizowanych w trudno dostępnych miejscach takich jak: schroniska górskie, leśniczówki, latarnie morskie czy stacje meteorologiczne,
• właściwie mają zastosowanie wszędzie tam, gdzie najczęściej z powodów ekonomicznych ale również technicznych, nie opłaca się budować linii elektroenergetycznych.
• Coraz powszechniej, również w naszym kraju, mają zastosowanie rozwiązania hybrydowe stanowiące połączenie instalacji wiatrowych z ogniwami fotowoltaicznymi, które przetwarzają promieniowanie słoneczne w energię elektryczną przy wykorzystaniu zjawiska fotoelektrycznego w celu zasilania punktów świetlnych, znaków drogowych, tablic informacyjnych, bilbordów reklamowych czy stacji bazowych telefonii komórkowej,

Natomiast do bardziej nietypowych zastosowań można zaliczyć produkowanie energii elektrycznej dla potrzeb zasilania:

• stacji odsalania wody morskiej,
• oczyszczani ścieków,
• instalacji uzdatniania wody,
• boi sygnalizacyjnych morskich i oceanicznych,
• samochodów o napędzie elektrycznym,
• instalacji zdalnego monitoringu newralgicznych urządzeń, strategicznych obiektów, terenów czy granic państw,
• jachtów, kutrów rybackich ale również tankowców czy wręcz lotniskowców, które mają do dyspozycji duże powierzchnie pokładowe,
• obecnie można także kupić przenośne miniturbiny wiatrowe, które można wykorzystywać do zasilania odbiorników małej mocy jak: telefony komórkowe, odtwarzacze mp3, tablety itp.

Charakterystyka projektu farmy wiatrowej

W drugim kampusie Politechniki Opolskiej, na dachu budynku Instytutu Elektroenergetyki i Energii Odnawialnej, od prawie trzech lat pracuje farma wiatrowa złożona z pięciu turbin, każda o mocy 1 kW. Są to turbiny o pionowej osi obrotu wirnika względem kierunku wiejącego wiatru. Dwie skrajne to bliźniacze turbiny wielopłatowe typu H, natomiast trzy środkowe to różne rozwiązania tzw. turbiny świderkowej. Ten typ wirnika był już znany w starożytności. Około 2000 lat p.n.e. Babilończycy pompowali wodę nawadniając pola i osuszając mokradła przy użyciu pierwszych wiatraków wyposażonych w płaskie skrzydła obracające się w osi prostopadłej do kierunku wiatru.

Na dachu znajdują się także urządzenia pomiarowe wchodzące w skład profesjonalnej stacji meteorologicznej.

Jeżeli wszystkie zainstalowane turbiny pracowałyby non stop przez całą dobę przez wszystkie dni w roku to produkowana przez nie energia elektryczna byłaby w stanie zaspokoić w pełni potrzeby energetyczne średniego gospodarstwa domowego w Unii Europejskiej, ale już tylko w połowie analogicznego pod względem wielkości ale zlokalizowanego w Stanach Zjednoczonych Ameryki.

Natomiast wyprodukowana w ciągu jednej godziny, tylko przez jedną z turbin, energia elektryczna umożliwia przykładowo:

• ugotowanie obiadu na kuchence elektrycznej dla czteroosobowej rodziny,
• przygotowanie 9 litrów kawy lub herbaty z ekspresu (ekspres o mocy 850W),
• odkurzanie przez 1 godzinę (odkurzacz o mocy 1000 W),
• oglądanie telewizji przez 7 godzin (telewizor o mocy 140 W),
• używanie komputera od 4 do 7 godzin
• prasowanie przez 1 godzinę,
• w pełni zaspokoić potrzeby energetyczne chińskiego gospodarstwa domowego.

Elektrownia wiatrowa stanowi podstawową część Laboratorium Energia IT Lab, które powstało w ramach realizacji projektu współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej. W jego skład wchodzą ponadto: stacja gromadzenia energii, centrala dystrybucji energii i centrala sterująca.

Stacja gromadzenia energii znajduje się na poddaszu budynku Instytutu Elektroenergetyki i Energii Odnawialnej. W jej skład wchodzi zestaw akumulatorów żelowych i system pomiaru napięcia oraz prądu ładowania, a także wartości temperatury. Wytworzona energia transportowana jest do laboratorium zlokalizowanego na drugim piętrze, gdzie znajduje się centrala dystrybucji energii, w skład której wchodzą przetwornice DC/DC wykorzystywane do niwelacji spadku napięcia na przewodach, przetwornica DC/AC umożliwiająca podłączenie odbiorników energii o mocy minimum 5 kW, a także system do pomiaru parametrów produkowanej energii. W centrali tej znajdują się gniazda zasilające, do których można podłączyć odbiorniki energii elektrycznej.

W laboratorium znajduje się także centrala sterująca, którą stanowi zestaw komputerowy z odpowiednim oprogramowaniem umożliwiającym wizualizację i archiwizację danych pomiarowych. Dodatkowo w szafie rozdzielczej zamontowana jest stacja METEO, która pobiera dane z urządzeń pomiarowych znajdujących się na dachu budynku i transmituje je do komputera w centrali sterującej. Pomiary parametrów meteorologicznych wykonywane są na bieżąco, w zadanych przez użytkownika przedziałach czasowych. W szczególności rejestrowane są wartości prędkości i kierunku wiatru, wilgotności, temperatury i ciśnienia atmosferycznego, a także wielkości opadów.

Celem budowy laboratorium było umożliwienie naukowcom Politechniki Opolskiej prowadzenie wielowątkowych badań związanych z określeniem zależności wielkości produkowanej energii elektrycznej przez mikroturbiny wiatrowe od wielu czynników zewnętrznych, głównie pogodowych. Prowadzone obecnie badania dotyczą także określenia wielkości powstających drgań wibroakustycznych towarzyszących ich pracy, poziomu generowanych infradźwięków, a także emitowanych w zakresie słyszalnym hałasów. Dodatkowo ma zostać przebadana różnica między poszczególnymi typami turbin, zarówno w zakresie efektywności wytwarzania energii, jak również ich uciążliwości, związanej z generacją hałasu w szerokim przedziale częstotliwości, w tym także powstających wibracji.

Należy podkreślić, że obecnie są w tym zakresie realizowane dwie rozprawy doktorskie.

Powstałe laboratorium służy również prowadzeniu prac badawczo-rozwojowych na rzecz przedsiębiorców całego regionu opolskiego.

Będzie także wykorzystywane dla celów dydaktycznych, gdzie studenci nowo otwartego kierunku studiów technologie energetyki odnawialnej będą mogli w sposób rzeczywisty uczestniczyć w prowadzeniu badań naukowych.

Utworzone laboratorium ma również szeroko rozumiany walor poznawczy, a nawet edukacyjny, jego lokalizacja w centralnej części drugiego kampusu Politechniki Opolskiej umożliwia studentom innych kierunków, ale także przechodniom i osobom korzystającym z krytej pływalni czy odwiedzającym nasze muzeum lamp rentgenowskich oraz kierowcom przejeżdżających samochodów, przekonanie się na własne oczy jak pracują turbiny wiatrowe zainstalowane w środowisku silnie zurbanizowanym. W ten sposób mogą samodzielnie ocenić czy i w jakim zakresie ich praca może być uciążliwa dla ludzi. Tym samym kształtowana jest ich ekologiczna świadomość.