Niedbalska, Martyna

Zaborowski, Marcin

Żarczyński, Andrzej

Polish

Lodz University of Technology Repository

A R T Y K U Ł YEliksir nr 2(4)/2016 27jest także wzrostem stężenia węglanów na powierzchni granulek wodorotlenku sodu, co hamuje absorpcję tego gazu.Literatura[1] https://pl.wikipedia.org/wiki/Wodorotlenek_sodu, 16.09.16.[2] https://pl.wikipedia.org/wiki/Elektroujemno%C5%9B%-C4%87, 16.09.16.[3] Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków (red. Dojlido J.), Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1999.[4] Zou J.H., Zhou Z.J., Wang F.C., Zhang W., Dai Z.H., Liu H.F., Yu Z.H., 2007, Modeling reaction kinetics of petroleum coke gasification with CO2, Chemical Engineering and Processing: Process Intensifi-cation, 46 (7), 630-636.lWstępWedług przyjętych w Unii Europejskiej założeń, produkcja energii z odnawialnych źródeł (OZE) w skali całej Wspólnoty ma w 2020 r. osiągnąć poziom 20%, a w poszczególnych krajach najmniej 15% [1-7]. Wytwarzanie energii ze źró-deł odnawialnych, m. in. biogazowni [2, 3, 8-15], siłowni (turbin) wiatrowych [1, 4, 16-26], paneli słonecznych [9, 27], wykorzystania siły spływu wód [28, 29], mimo różnych mankamentów znajduje istotne wsparcie ekonomiczne w państwach Unii Europejskiej i niektórych innych krajach świata [4-21]. Jedną z dróg prowadzących do osiągnięcia tego ambitnego celu jest rozwój energetyki wiatrowej [1, 4, 16-26]. Jednak ocena w społeczeństwie tego rodzaju energetyki OZE nie jest jednoznaczna. Wśród korzyści podkreśla się w szczególności brak emisji zanieczyszczeń podczas produkcji energii elektrycznej i niewielkie koszty eksploatacyjne. Poważnymi mankamentami tego źródła energii jest fakt, iż jest ono zależne od siły wiatru, tj. niesta-bilne w czasie, a przy tym turbiny wiatrowe generują hałas, zwłaszcza dokuczliwy przy usytuowaniu siłowni w pobliżu osiedli ludzkich. Ponadto energetyka wiatrowa powoduje zmiany w krajobrazie, uciążliwości zdrowotne i obniża atrakcyjność rekreacyjną, a niekiedy i materialną danego terenu [1, 4, 16-19, 21, 25]. Stwierdzane są także straty wśród populacji nietoperzy oraz ptaków [18, 20, 25]. Po-wyższe negatywy są przyczyną utrzymywania się złej opinii o energetyce wiatrowej i źródłem protestów społecznych, Andrzej Żarczyński, Martyna Niedbalska, Marcin Zaborowskiandrzej.zarczynski@p.lodz.pl; 175038@edu.p.lodz.pl; marcin.zaborowski@p.lodz.plInstytut Chemii Ogólnej i Ekologicznej, Wydział Chemiczny, Politechnika ŁódzkaOcena efektywności energetycznej dwóch turbin wiatrowych firmy Vensyszwłaszcza, gdy realna staje się na danym terenie budowa farm wiatrowych [25, 30]. Mimo to realizowane są w tym obszarze OZE zarówno badania podstawowe, półtechnicz-ne jak i prace wdrożeniowe w wielu krajach świata, w tym i w Polsce [22-24, 26, 31]. Wymagają one jednak znacznych środków finansowych, których niedobór w Polsce jest wciąż problemem oczekującym rozwiązania.Przedmiot i Metody BadawczeAnalizie poddawano pracę farmy wiatrowej zlokalizo-wanej w miejscowości Wincentów składającej się z trzech turbin energetycznych, lecz obserwacje wykonano tylko dwóch jednostek wyprodukowanych przez firmę Vensys o mocy znamionowej po 1,5 MW każda. Analizowane si-łownie wiatrowe zostały zainstalowane w sierpniu 2014 r., każda wysokości 100 m i średnicy łopat 77 m. Trzecia typu ENERCON E 66 oddana do użytku w 2012 r., o mocy także 1,5 MW nie była badana ze względów technicznych. Powstanie analizowanej farmy wiatrowej jest efektem re-alizacji projektu pt. „Budowa elektrowni wiatrowej o mocy 4,5 MW w miejscowości Wincentów, gmina Rusiec, woj. łódzkie”, obejmującego budowę trzech turbin wiatrowych. Projekt ów otrzymał wsparcie finansowe Unii Europejskiej w ramach działania 9.4. pt. „Wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych” Programu Operacyjnego Infrastruktura i Środowisko [32]. Farmę wiatrową będącą częścią firmy pod nazwą Zakład Usługowo-Handlowy Czesław Szymański A R T Y K U Ł YEliksir nr 2(4)/201628(Wincentów, ul. Grabowa 33, 97-400 Bełchatów)1 zbudo-wano na tyłach stacji paliw (fot. 1), w odległości kilkuset metrów od drogi krajowej numer 74.Na świecie dotychczas zainstalowano około 12 200 tur-bin wiatrowych typu VENSYS o łącznej mocy znamionowej ponad 19 200 MW. Turbiny Vensys produkują dwa zakłady firmy Vensys Energy AG znajdujące się na terenie Niemiec, tj. w Neunkirchen – głównej siedzibie firmy oraz w Diepholz, gdzie usytuowana jest spółka-córka. Firma oferuje szereg rodzajów turbin, które różnią się średnicą łopat wirnika, wy-sokością wieży oraz mocą mieszczącą się w zakresie 1-3 MW. Turbina wiatrowa firmy Vensys o mocy znamionowej 1,5 MW cechuje się względnie prostą konstrukcją oraz dużą wydajnością, a przy tym spełnia wymagania sieci elektroenergetycznej w Polsce [35, 36]. Cechą wyróżniającą elektrownie wiatrowe firmy Vensys jest napęd bezprzekła-dniowy, a także chłodzenie powietrzem, technologia użycia magnesów trwałych oraz efektywny konwerter energii [34]. Rezygnacja z przekładni oznacza redukcję kosztów napraw i konserwacji oraz zwiększa wydajność, zwłaszcza podczas pracy w warunkach częściowego obciążenia. Wysokiej ja-kości magnesy trwałe eliminują potrzebę wzbudzenia, co wpływa na wzrost wydajności energetycznej. System chło-dzenia powietrzem, zarówno generatora jak i przetwornicy częstotliwości VENSYS, zmniejsza liczbę elementów insta-lacji i eliminuje potrzebę stosowania środków chłodzących i prac konserwacyjnych [33].Badano pracę dwóch turbin typu Vensys 77, których parametry techniczne zamieszczono w ostatnim wierszu tabeli 1. Celem badań była ocena efektywności energe-tycznej dwóch turbin wiatrowych oznaczonych numerami 1 i 2 oraz porównanie ich wydajności. Analizowano wpływ siły wiatru jak również czasu działania turbin na ilość pro-dukowanej przez nie energii w okresie całego 2015 roku. Przedstawiono także szczegółowe dane średnie zebrane w trzech wybranych miesiącach oraz dwóch dniach grudnia 2015 r. Wyniki przedstawiono na rys. 1 i 2, a także w ta-belach 2 oraz 3.Wyniki i Dyskusja Na rys. 1 przedstawiono zależność skali produkcji energii elektrycznej przez obie turbiny wiatrowe w okresie kolej-nych 12 miesięcy 2015 r.Rys. 1. Produkcja energii w poszczególnych miesiącach w 2015 rokuMoc[MW]Użyteczna  prędkość wiatru[m/s]Zakres prędkości obrotowejU/minWysokośćwieży[m]Średnica łopat [m]1,0 3-22 8-16,5 85 771,0 3-22 8-16,5 100 771,5 3-22 9,0-17,3 61,5 771,5 3-22 9,0-17,3 85 771,5 3-22 9,0-17,3 100 77Tabela 1. Specyfikacja techniczna turbin typu Vensys 77 [33, 34]Fot. 1. Badana farma wiatrowa w miejscowości Wincentów (fot. M. Niedbalska)1 Autorzy publikacji uprzejmie dziękują Panu Czesławowi Szymańskiemu – wła-ścicielowi elektrowni wiatrowych w Wincentowie, za umożliwienie wykona-nia badań Pani Martynie Niedbalskiej w ramach realizacji jej pracy inżynier-skiej, a także za zgodę na opublikowanie uzyskanych wyników w czasopiśmie Eliksir.A R T Y K U Ł YEliksir nr 2(4)/2016 29Na podstawie powyższych danych stwierdzono duże dysproporcje dotyczące poszczególnych miesięcy. Najwię-cej energii elektrycznej turbiny 1 oraz 2 wyprodukowały w styczniu, tj. 473 503 kWh oraz 472 232 kWh. Turbina 1 wyprodukowała o 1271 kWh więcej niż turbina 2. Najmniej efektywnie turbiny pracowały w miesiącu czerwcu, pro-dukcja energii wyniosła wtedy odpowiednio: 137 710 kWh przez turbinę 1 oraz 133 990 kWh przez siłownię 2. Widzimy, że rozbieżność jest bardzo duża, średnia różnica produkcji między styczniem, a czerwcem wyniosła 268 462,5 kWh. Różnica ta to praktycznie dwukrotność produkcji w czerw-cu. Średniomiesięczna produkcja energii przez turbinę 1 to 278 739 kWh, natomiast przez turbinę 2 to 279 378 kWh.Najważniejszym parametrem decydującym o wielkości produkowanej energii jest siła wiejącego wiatru. Rys. 2 przedstawia uśrednioną wartość prędkości wiejącego wiatru w poszczególnych miesiącach. Wiatr wiał z największą siłą w miesiącach zimowych, najwyższą wartość odnotowano w grudniu – 7,3 m/s. Z równie dużą prędkością wiał także w listopadzie i styczniu. Sytuacja zmieniła się w miesią-cach letnich, najsłabszy średni wiatr wystąpił w czerwcu, tj.  4,4 oraz 4,5 m/s. Wartości średnioroczne wiatru to 5,78 m/s zmierzone przy turbinie 1 oraz 5,82 m/s odnoto-wane w odniesieniu do turbiny 2.Kolejnym ważnym parametrem decydującym o ilości produkowanej energii jest liczba godzin pracy turbiny wia-trowej. Tabela 2 zawiera dane dotyczące pracy obu turbin w okresie trzech miesięcy (wrzesień, październik i listopad) Tabela 2. Dane dotyczące pracy obu turbin w okresie trzech miesięcy i w wybranych dniach grudnia 2015 r.OkresNumer turbinyIlość wyprodukowanej energii [kWh]Prędkość wiatru [m/s]Liczba godzin pracy turbiny w miesiącuWydajność w godzinach pracy turbiny[%]Wrzesień 1 225 332 5,8 716,0 99,972 223 452 5,8 711,9 99,21Październik 1 204 220 5,5 739,5 99,992 198 190 5,4 738,6 99,99Listopad 1 370 083 6,7 717,7 99,962 369 019 6,7 717,3 99,9022 grudnia 128 167 10,02 24 1002 28 442 10,02 24 10023 grudnia1 24 288 9,60 22 91,672 25 127 9,50 23 95,83oraz w dniach 22 i 23 grudnia 2015 r., z uwzględnieniem czasu działania oraz wydajności. Należy pamiętać, że wa-runkiem koniecznym do pracy turbiny jest wiatr o prędkości minimum 3 m/s. Gdy wiatr wieje z mniejszą prędkością, siłownia wiatrowa nie uruchamia się. Wydajność turbiny wyrażono w procentach, a oznacza ona liczbę godzin w których siłownia działała w stosunku do całkowitego czasu, w którym po uruchomieniu się mogła pracować. Stwierdzono, że dzienna produkcja energii elektrycznej także zależała od siły wiatru, np. wynosiła około 24 707 kWh przy średniej sile wiatru 9,65 m/s, natomiast około 28 304 kWh przy wietrze 10,2 m/s.Rys. 2. Średnia prędkość wiatru w poszczególnych miesiącach 2015 rokuA R T Y K U Ł YEliksir nr 2(4)/201630Z informacji udzielonych przez Właściciela elektrowni wiatrowej wynika, iż system komputerowy turbin wia-trowych co pewien czas samoczynnie resetuje się lub wprowadza aktualizacje i w tym czasie siłownia przestaje pracować. Wynikające stąd zakłócenia są przyczyną obniża-nia się wydajności turbin, a tym samym zmniejszenia liczby godzin ich pracy.Tabela 3 zawiera zestawienie średnioroczne produkcji energii dla obu turbin wiatrowych. W okresie całego roku turbina 1 wyprodukowała 3 344 865 kWh energii elektrycz-nej, natomiast turbina 2 – 3 352 535 kWh. Turbina numer dwa była wydajniejsza energetycznie od jednostki numer jeden tylko o 7670 kWh. Stwierdzono, że wyniki rzeczywiste ilości wyprodukowanej energii elektrycznej przez obie turbi-ny są tylko nieznacznie niższe od teoretycznych, obliczonych dla tej samej prędkości wiatru [34].WnioskiAnaliza literatury dotyczącej energetyki wiatrowej oraz badania dwóch turbin Vensys 77 o mocy znamionowej po 1,5 MW, zbudowanych w sierpniu 2014 roku w Win-centowie, umożliwiły sformułowanie następujących wnio-sków:a. wytwarzanie energii elektrycznej z wykorzystaniem siły wiatru jest jednym z efektywnych kierunków energetyki OZE mimo, że wykazuje zmienność w czasie;b. istotnymi mankamentami tego źródła energii jest także hałas generowany przez turbiny wiatrowe, zwłaszcza dokuczliwy przy umiejscowieniu siłowni w pobliżu osiedli ludzkich, ponadto zmiany w krajobrazie i spadek Tabela 3. Dane dotyczące warunków pracy i produkcji energii elektrycznej przez badane turbiny w okresie 2015 r.Numer turbinyRzeczywista /teoretyczna ilość wyprodukowanej energii * [kWh/rok]Średnia prędkość wiatru[m/s]Roczna liczba godzin pracy turbinyRoczna wydajność turbiny w % godzin pracy 1 3 344 865/3 547 887* 5,78 8663,5 99,52 3 352 535/3 559 900* 5,82 8640,4 99,4* obliczenia wykonano korzystając z zależności produkcji energii elektrycznej od prędkości wiatru zamieszczonych w internecie na stronie Portal Polish Wind Energy [34].atrakcyjności rekreacyjnej, a niekiedy wartości danego terenu;c. odnotowywane są także straty przyrodnicze, zwykle wy-nikające z lokalizacji turbin na szlakach przelotu ptaków i nietoperzy;d. powyższe negatywy są przyczyną złej opinii o energe-tyce wiatrowej i protestów społecznych, zwłaszcza, gdy realna staje się na danym terenie budowa nowych farm wiatrowych;e. stwierdzono, że w 2015 r. obydwie turbiny wiatrowe Ven-sys 77 wytwarzały energię elektryczną z porównywalną efektywnością; turbina 2 wyprodukowała nieco więcej energii niż turbina 1;f. produkcja energii elektrycznej z udziałem obydwu tur-bin była największa w styczniu i grudniu, a najmniejsza w czerwcu, przy czym zależała głównie od prędkości wiatru;g. stwierdzono, że dzienna produkcja energii także zależała od prędkości wiatru;h. produkowana energia elektryczna przekazywana była odpłatnie do zbiorczej sieci energetycznej, chociaż ist-niała możliwość jej gospodarczego zużytkowania przez Właściciela siłowni wiatrowych [25].Literatura[1] Wiśniewski G., Michałowska-Knapp K., 2010, Wizja rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce do 2020 r., Czysta Energia, 4, 24-28.[2] Curkowski A., Mroczkowski P., Oniszk-Popławska A., Wiśniew-ski G., Biogaz rolniczy – produkcja i wykorzystanie. Mazowiecka Agencja Energetyczna Sp. z o. o., Warszawa 2009, http://www.mae.com.pl/files/poradnik_biogazowy_mae.pdf, 26.10.2016.[3] Aleksandrow S., Michalak D., 2013, Analiza potencjału re-A R T Y K U Ł YEliksir nr 2(4)/2016 31gionu łódzkiego pod kątem budowy biogazowni, Acta Innovations, 7, 28-44.[4] Mroczek B., Kurpas D., Klera M., 2013, Sustainable Develop-ment and Wind Farms, Problemy Ekorozwoju/Problems of Susta-inable Development, 8(2), 113-122.[5] Czerna-Grygiel J., 2013, Technologie w produkcji energii odnawialnej a zrównoważona polityka energetyczna, Ekologia i Technika, 21(5), 244-249.[6] Kochański M., 2014, Finansowanie instrumentów poprawy efektywności energetycznej w Polsce w latach 2014-2020, Acta Innovations, 10, 65-86.[7] Kardasz P., Bentkowska M., Błasiński T., Cieńciała M., Doskocz J., Haller P., Magdziak-Tokłowicz M.,  2014, Stan odnawialnych źródeł energii w Polsce, Aura, 8, 8-11.[8] Kociołek-Belawejder E., Wilk Ł., 2011, Przegląd metod usuwa-nia siarkowodoru z biogazu, Przem. Chem., 90(3), 389-397.[9] Sibiński M. 2014, wykorzystanie instalacji fotowoltaicznych w celu poprawy niezależności energetycznej mleczarni wyposażonej w reaktor biogazowy, Acta Innovations, 10, 14-30.[10] Żarczyński A., Rosiak K., Anielak P., Wolf W., 2014, Praktyczne metody oczyszczania biogazu z siarkowodoru. Cz. 1. Zastosowanie sorbentów stałych, Acta Innovations, 12, 24-35.[11] Zagdański D., 2014, Realizacja i funkcjonowanie biogazowi rolniczej. Przykład wybranego obiektu, Aura, 6, 16-18.[12] Klemba K., 2015, Biogazownia jako potencjalne źródło zagrożeń emisjami odorowymi oraz działania prewencyjne, Eliksir, 2, 22-27.[13] Smolarek T., 2016, Kalkulator biogazowy jako użyteczne na-rzędzie do obliczeń wskaźników pracy biogazowni, Eliksir 1(3), 52-55.[14] Borek K., 2016, Kierunki rozwoju biogazowni rolniczych w Polsce, Aura, 7-8, 21-23.[15] Kwaśny J., Balcerzak W., Rezka P., 2016, Biogaz i charakte-rystyka wybranych metod jego odsiarczania, Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, 33(63), 129-141.[16] Van den Berg G. P., 2004, Effects of the wind profile at night on wind turbine sound, Journal of Sound and Vibration, 277(4-5), 955-970.[17] Leventhall G., 2006, Infrasound from wind turbines: fact, fiction or deception, Canadian Acoustics, 34(2), 29-36.[18] Kunz T. H, Arnett E. B., Erickson W. P, Hoar A. R., Johnson G. D., Larkin R. P., Strickland M. D., Thresher R. W., Tuttle M. D., 2007, Ecological impacts of wind energy development on bats: questions, research needs, and hypotheses, Frontiers in Ecological and the Environment, 5(6), 315-324.[19] Pedersen E., Waye K., 2007, Wind turbine noise, annoyance and self-reported health and well-being in different living environ-ments, Occupational and Environmental Medicine, 64(7), 480-486.[20] Wuczyński A., Chylarecki P., Tryjanowski P., 2009, Ptaki a roz-wój energetyki wiatrowej – aktualne problemy, Chrońmy Przyrodę Ojczystą, 65(5), 323-328.[21] Shephard D., Mc Bridge D., Welch D., Dirks K.N., Hill E.M., 2011, Evaluating the impact of wind turbine noise on health-related quality of life, Noise Health, 13(54), 333-339.[22] Szczyrba T, Boczar T., 2013, Badanie efektowności turbin wia-trowych dużej mocy, Prace Instytutu Elektrotechniki, 261, 97-104.[23] Jarzyna W., Pawłowski A., Viktarovich N., 2014, Technological development of wind energy and compliance with the requirements for sustainable development, Problemy Ekorozwoju – Problems of Sustainable Development, 9(1), 167-177.[24] Piasecka I., Kruszelnicka W., Ropińska P.,  Tomporowski A., 2015, Ocena energochłonności cyklu istnienia lądowej elektrowni wiatrowej typu Vestas V100, Ekologia i Technika, 23(3), 149-152.[25] Niedbalska M., Praca inżynierska pt. Analiza wpływu na środowisko siłowni wiatrowych i ocena efektywności energetycznej dwóch jednostek firmy Vensys, Instytut Chemii Ogólnej i Ekologicz-nej, Politechnika Łódzka, Łódź 2015.[26] Witowski A., 2016, Wielka Brytania inwestuje w energetykę wiatrową, Przemysł Chemiczny, 95(9), 1670.[27] Zarębski P., Borzyszkowski J., Marczak M., 2015, Sustainable Development and Tourism. Example of Investments Connected with the Installation of Solar Collectors in Seaside Lodging Facilities, An-nual Set The Environment Protection/Rocznik Ochrona Środowiska, 17, 143-164.[28] Majewski W., 2015, Kompleksowe zagospodarowanie dolnej Wisły szansą dla regionu i Polski, Gospodarka Wodna, 2, 47-52.[29] Granatowicz J., 2016, Siarzewo i kolejne stopnie wodne na dolnej Wiśle w kontekście potencjału hydroenergetycznego Polski, Gospodarka Wodna, 8, 232-235.[30] Staniszewska M., 2014, Syndrom Nimby jako przykład konfliktu społecznego o charakterze lokalnym, Acta Innovations, 12, 17-23.[31] Korycki K., 2014, Możliwości CTT OZE w zakresie pomiarów wietrzności, badania mikroturbin wiatrowych i napowietrzania terenów miejskich, Acta Innovations, 13, 25-30.[32] Zakład Usługowo-Handlowy Czesław Szymański, O Nas, http://www.ewwincentow. pl/, 22.08.2016.[33] Więcej energii dla naszej przyszłości, http://www.vensys.de/energy-pl/unternehmen/ ueber-uns.php, 05.10.2016.[34] Portal Polish Wind Energy, Vensys 77, http://www.poli-shwindenergy.com/index. php/elektrownie-wiatrowe-w-polsce/item/45-vensys-77, 25.10.2016.[35] Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii, Dz. U. 2015, poz. 478.[36] Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne, Dz. U. 1997, nr 54, poz. 348, tekst jednolity Dz. U. 2012, poz. 1059 oraz Dz. U. 2013, poz. 984 i poz. 1238.l

Ocena efektywności energetycznej dwóch turbin wiatrowych firmy Vensys.

http://repozytorium.p.lodz.pl/bitstream/11652/1535/1/Ocena_efektywnosci_energetycznej_Zarczynski_Niedbalska_Zaborowski_2016.pdf

Ocena efektywności energetycznej dwóch turbin wiatrowych firmy Vensys.

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Lodz University of Technology Repository