Format: B5

Wydział: Energetyka

Opis:

Rozpraszanie energii, potocznie nazywane zużywaniem, warunkuje wszystkie procesy zachodzące w przyrodzie i wszystkie rodzaje działalności człowieka. Ilość roz­praszanej przez ludzi energii decyduje o poziomie i długości życia w danej społeczno­ści. Problemy związane z pozyskiwaniem energii muszą być bliskie każdemu, kto chce mieć zapewniony komfort cieplny, oświetlenie, łączność ze światem, możliwość szyb­kich podróży itp. Aktualnie, w skali całego świata, produkcja energii oparta jest głównie na spalaniu surowców energetycznych: węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego. Wyczerpywanie się zasobów surowców energetycznych z jednej strony i degrada­cja środowiska spowodowana procesami ich wydobywania i spalania - z drugiej, zmu­szają do szukania nowych źródeł i technologii produkcji energii. Źródeł, które będą niewyczerpywalne, i technologii, które nie powodują trudnych do usunięcia szkodli­wych skutków dla środowiska. Takie wymagania spełnia energetyka wiatrowa. Energię wiatrową wykorzystywano już w początkach cywilizacji, natomiast elek­troenergetyka wiatrowa należy do najnowszych działów energetyki. Właśnie elektro­energetykę wiatrową książka przybliża czytelnikowi w sposób możli­wie przystępny.

Spis treśœci:

Wstęp ................................................................................................................. 9

1. Ważniejsze problemy i kierunki przemian energetyki ................................ 11

1.1. Problem zapotrzebowania na energię ........................................................ 11

1.2. Koniecznoœæ zmian kierunków rozwoju energetyki ................................. 14

1.3. Efekt cieplarniany ....................................................................................... 17

1.4. Możliwe kierunki przemian energetyki œwiatrowej ................................... 25

1.5. Energetyka odnawialnych Ÿźródeł energii ................................................... 26

1.5.1. Energia słoneczna ............................................................................ 27

1.5.2. Energia geotermalna ........................................................................ 30

1.5.3. Energia mechaniczna wód powierzchniowych ............................... 34

1.5.4. Energia wiatru .................................................................................. 37

1.5.5. Energia biomasy .............................................................................. 39

1.5.6. Ogniwa paliwowe ............................................................................ 41

1.5.7. Wodór ............................................................................................... 43

1.5.8. Energia odpadów komunalnych ...................................................... 44

1.6. Organizacje i stowarzyszenia zajmujące się wykorzystaniem odnawialnych Ÿźródeł energii .... 46

1.7. Perspektywy rozwoju odnawialnych Ÿróde³ energii .................................. 47

Literatura ............................................................................................................ 47

2. Charakterystyki przep³ywowe i energetyczne wiatru .................................. 49

2.1. Wiatr jako zjawisko fizyczne.

Okreśœlenia, Ÿźródło powstawania wiatru ..................................................... 49

2.2. Podstawowe charakterystyki wiatru .......................................................... 51

2.2.1. Rozkłady prędkoœści wiatru w funkcji wysokoœci nad powierzchni¹ gruntu .... 51

2.2.2. Rozkład gêstoœci mocy strumienia powietrza w funkcji wysokoœci ... 55

2.2.3. Porywy wiatru, turbulencja atmosferyczna .................................... 57

2.2.4. ŚŒrednioroczna prędkoœść wiatru i jej rozkład ................................... 62

2.3. Energetyczna wydajnoœść EW w zależnośœci od Vsh oraz Vo ....................... 73

2.4. Przybliżona ocena zasobów energii wiatru w Polsce oraz jej zmiany sezonowe .... 78

2.5. Wpływ parametrów atmosferycznych powietrza na wydajnoœść energetyczn¹ EW ............... 84

2.6. Czynniki wp³ywaj¹ce na możliwośœci wykorzystania energii wiatru ........ 85

Literatura ............................................................................................................ 87

3. Charakterystyki elektrowni wiatrowych. Przyk³ady rozwi¹zañ konstrukcyjnych ...... 89

3.1. Wprowadzenie ............................................................................................ 89

3.2. Podstawowe parametry i charakterystyki EW ........................................... 90

3.3. Opis EW o pionowej osi obrotu ................................................................. 93

3.4. Opis EW o poziomej osi obrotu ................................................................. 95

3.4.1. Klasyczne EW o poziomej osi obrotu. Przegląd dotychczasowych konstrukcji EW .... 97

3.5. Opis konstrukcji EW .................................................................................. 103

3.6. Stosowane rozwiązania konstrukcyjne podstawowych zespołów EW ........ 104

3.6.1. Głowica ............................................................................................ 104

3.6.2. Wirnik ............................................................................................... 107

3.7. Podsumowanie ............................................................................................ 132

Literatura ............................................................................................................ 132

4. Eksperymentalne metody badawcze w energetyce wiatrowej .................... 134

4.1. Wprowadzenie ............................................................................................ 134

4.2. Zarys teorii podobieństwa w aspekcie badañ op³ywu modeli elektrowni wiatrowej i jej elementów .... 134

4.3. Tunele aerodynamiczne .............................................................................. 140

4.4. Podsumowanie ............................................................................................ 152

Literatura ............................................................................................................ 153

5. Teoretyczne metody badawcze energetyki wiatrowej .................................. 154

5.1. Wprowadzenie ............................................................................................ 154

5.2. Zagadnienia podstawowe ........................................................................... 155

5.2.1. Równanie ci¹g³oœci .......................................................................... 155

5.2.2. Zasada zachowania pêdu ................................................................. 157

5.2.3. Równania Eulera i równanie Bernoulliego ..................................... 161

5.2.4. Przepływy potencjalne ośœrodka nieœściśœliwego ............................... 164

5.2.4.1. Funkcja prądu ..................................................................... 165

5.2.4.2. Rozwi¹zania elementarne równia Laplace’a dla potencjału w przepływie płaskim ...... 167

5.2.4.3. Opływ walca kołowego ..................................................... 171

5.2.4.4. Opływ płaski bryły symetrycznej ...................................... 173

5.2.4.5. Przepływ wokół profilu cienkiego przy niezerowym kącie natarcia ...... 175

5.2.4.6. Metody panelowe: zastosowanie rozkładu osobliwoœści hydrodynamicznych na powierzchni ciała do wyznaczania opływu ..... 184

5.2.5. Odcinek wirowy w przestrzeni i prawo Biota–Savarta .................. 194

5.2.6. Warstwa przyœścienna. źródła oporu ciał......................................... 200

5.2.6.1. Równania Prandtla dla warstwy przyœściennej .................. 200

5.2.6.2. Równania von Kármána dla warstwy przyśœciennej .......... 203

5.3. Elementarne teorie pracy turbiny wiatrowej o osi poziomej .....212

5.3.1. Teoria strumieniowa ........................................................................ 212

5.3.2. Teoria elementu łopaty .................................................................... 217

5.3.3. Uproszczone teorie wirowe ............................................................. 220

5.3.3.1. Model Glauerta .................................................................. 223

5.3.3.2. Udoskonalona metoda Witoszyńskiego ............................ 226

5.3.3.3. Rozszerzenie udoskonalonej metody Witoszyńskiego na przypadek napływu niejednorodnego ..... 230

5.3.3.4. Projektowanie aerodynamiczne wirnika turbiny wiatrowej z wykorzystaniem uproszczonych metod wirowych ........ 237

5.4. Teoria linii noœśnej dla wirnika siłowni wiatrowej ..................................... 249

5.5. Teoria pracy turbiny wiatrowej o osi pionowej ......................................... 255

5.6. Elementy aerodynamiki niestacjonarnej .................................................... 263

5.6.1. Wirnik o osi poziomej ..................................................................... 263

5.6.2. Wirnik o osi pionowej ..................................................................... 273

5.7. Elementy aerodynamiki turbiny pracuj¹cej w farmie wiatrowej .............. 274

Literatura ............................................................................................................ 281

6. Generatory, układy regulacji, konfiguracje siłowni, akumulacja energii elektrycznej ...... 284

6.1. Wybrane elementy maszyn elektrycznych ................................................. 284

6.2. Prądnice prądu stałego ............................................................................... 288

6.2.1. Prądnica obcowzbudna .................................................................... 290

6.2.2. Prądnice samowzbudne ................................................................... 291

6.2.2.1. Prądnica bocznikowa ......................................................... 291

6.2.2.2. Prądnica szeregowa ............................................................ 292

6.2.2.3. Prądnica szeregowo-bocznikowa ...................................... 293

6.3. Generatory prądu przemiennego ................................................................ 293

6.3.1. Moc chwilowa, czynna, bierna i pozorna ....................................... 293

6.3.2. Generator synchroniczny ................................................................. 300

6.3.3. Generator asynchroniczny ............................................................... 304

6.3.4. Korekcja wspó³czynnika mocy ....................................................... 309

6.3.5. Synchronizacja generatora synchronicznego z siecią odbiorczą.. 312

6.4. Rozwiązania konstrukcyjne ....................................................................... 313

6.4.1. Podstawowe uk³ady pracy elektrowni – układ klasyczny .............. 313

6.5. Układy regulacji ......................................................................................... 319

6.5.1. Regulacja ustawienia elektrowni w kierunku wiatru ..................... 320

6.5.2. Regulacja k¹ta ustawienia ³opat ...................................................... 321

6.5.3. Regulacja poprzez zmianê obci¹¿enia ............................................ 322

6.5.4. Regulacja poprzez „przeci¹gniêcie” ............................................... 322

6.5.5. Sterowniki PLC ................................................................................ 323

6.6. Przetworniki czêstotliwoœci ....................................................................... 324

6.7. Pomiary parametrów mechanicznych ........................................................ 328

6.8. Konfiguracje indywidualnych si³owni wiatrowych .................................. 333

6.9. Akumulacja energii elektrycznej ............................................................... 335

6.9.1. Akumulator o³owiowy ..................................................................... 336

6.9.2. Akumulator kadmowo-niklowy ...................................................... 336

6.9.3. Akumulator NIMH niklowo-wodorkowy ....................................... 336

6.9.4. Akumulator jonowo-litowy ............................................................. 337

6.10. Podsumowanie ......................................................................................... 337

Literatura ............................................................................................................ 337

7. Projektowanie i dobór uk³adu przep³ywowego elektrowni wiatrowej ....... 339

7.1. Wprowadzenie ............................................................................................ 339

7.2. Dobór wirników EW .................................................................................. 340

7.2.1. Liczba ³opat wirnika EW ................................................................. 340

7.3. Geometria i konstrukcja ³opat wirnika EW ............................................... 344

7.4. Charakterystyka wirników EW .................................................................. 345

7.5. Sposób doboru optymalnych parametrów

geometrycznych i ruchowych EW ............................................................. 349

7.6. Okreœlenie obci¹¿eñ normalnych i granicznych EW ................................ 369

7.7. Obci¹¿enia dynamiczne generowane op³ywem elementów EW .............. 373

7.8. Podsumowanie ............................................................................................ 381

Literatura ............................................................................................................ 381

8. Analiza ekonomiczna i realizacja inwestycji w energetyce wiatrowej ...... 383

8.1. Znaczenie analiz ekonomicznych

dla okreœlenia efektywnoœci inwestycji w energetyce wiatrowej .............. 383

8.2. Metody analizy i wa¿niejsze wskaŸniki stosowane

do oceny efektywnoœci ekonomicznej inwestycji ..................................... 383

8.3. Przyk³ady analizy ekonomicznej inwestycji

w energetyce wiatrowej .............................................................................. 385

8.3.1. Analiza wykorzystuj¹ca wskaŸniki NCF oraz DPBT .................... 385

8.3.2. Analiza wykorzystuj¹ca wskaŸnik NPV ......................................... 399

8.3.3. Analiza wykorzystuj¹ca wskaŸnik IRR .......................................... 399

8.4. Realizacja inwestycji w energetyce wiatrowej .......................................... 400

8.5. Podsumowanie problematyki analizy ekonomicznej inwestycji

w energetyce wiatrowej .............................................................................. 401

Literatura ............................................................................................................ 401