Energetyka wiatrowa

Rozmowa z dr. inż. arch. Łukaszem Flagą

Jednym z elementów transformacji energetycznej jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii (OZE). Wśród nich znajduje się energia pozyskiwana z wiatru. Wydaje się być darmowa i wszędzie dostępna, jednak jej optymalne wykorzystanie wymaga przeprowadzenia wielu badań i obliczeń, zarówno inżynierskich, jak i finansowych. W przeciwnym razie darmowa energia z wiatru może okazać się bardzo kosztowna lub wręcz nieużyteczna. O tym, jak ją racjonalnie wykorzystać, rozmawiamy z dr. inż. arch. Łukaszem Flagą, specjalistą z Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej.

Laboratorium jest wyposażone w różne tunele aerodynamiczne. Czy nie wystarczy jeden uniwersalny?

Spis treści:
  1. Laboratorium jest wyposażone w różne tunele aerodynamiczne. Czy nie wystarczy jeden uniwersalny?
  2. Czyli chodzi o to, że ten tunel łatwo dostosować do różnych celów, nie ma ograniczenia tylko do badań aero­dynamicznych np. samolotów lub samochodów?
  3. Można więc zaprojektować w tunelu przepływ tak, aby wiernie odwzorowywał rzeczywistość i następnie dostarczał konkretnych wartości liczbowych do projektowania?
  4. W jaki sposób przekłada się wyniki badań tunelowych na wyniki pełnoskalowe?
  5. Czy możliwości Laboratorium Inżynierii Wiatrowej ograniczone są jedynie do badań tunelowych?
  6. Jak Laboratorium uczestniczy we wprowadzaniu energetyki wiatrowej?
  7. Czy niektóre z tych technologii są w naszych warunkach nieoptymalne lub za drogie, a mimo to są forsowane?
  8. Co zatem Politechnika i jej eksperci mogą zaoferować, jeśli chodzi o wskazanie właściwego kierunku?
  9. Jakie badania można przeprowadzać w Laboratorium?
  10. Który parametr jest istotny dla użytkownika?
  11. W jaki sposób konfigurować elementy elektrowni wiatrowej?
  12. A co się dzieje z mniejszą turbiną, jeśli wiatr zacznie wiać silniej, np. 15 m/s?
  13. Dobór odpowiedniej turbiny to tylko część procesu projektowania elektrowni wiatrowej?
  14. W powszechnej opinii pokutuje przeświadczenie, że moc urządzenia, zadeklarowana przez jego sprzedaw­cę, jest gwarantowana — wystarczy tylko „podpiąć” do wiatru. Czy można temu ufać?
  15. Czy w tunelu aerodynamicznym prowadzicie też badania, jak umiejscowienie turbiny na dachu budynku wpływa na jej pracę i bezpieczeństwo?
  16. Czy badane jest zachowanie turbin w ekstremalnych warunkach?
  17. Czyli projekt CEZAR zapewni Laboratorium Inżynierii Wiatrowej PK kompletne możliwości badawcze: od małych modeli w tunelu, po duże turbiny na zewnątrz?

Każdy z tuneli aerodynamicznych ma swoją specyfikę i przeznaczenie. Unikatowość naszego laboratorium polega na tym, że dysponujemy tunelami o dużej uniwersalności i adaptowalności przestrzeni roboczych (dzięki znacznym rozmiarom zarówno pod względem szerokości, wysokości, jak i samej powierzchni roboczej). Dzięki temu możemy badać stosunkowo duże obiekty — w skali 1:1, nawet po kilka metrów wysokości czy szerokości — zachowując przy tym racjonalne koszty eksploatacji. Na świecie istnieją oczywiście większe placówki, jak słynny tunel w Nantes, ale ich utrzymanie jest potwornie drogie. Zużycie energii potrzebne do obsługi takich gigantycznych obiektów jest olbrzymie, dlatego nie mogłyby one funkcjonować bez wsparcia państwa. W naszym przypadku koszty energetyczne są akceptowalne, a sam tunel łatwo zaadaptować do szerokiego wachlarza usług badawczych. Praktycznie każde nowe badanie otwiera przed nami nowy obszar zainteresowań.

Czyli chodzi o to, że ten tunel łatwo dostosować do różnych celów, nie ma ograniczenia tylko do badań aero­dynamicznych np. samolotów lub samochodów?

Tak, ale musimy rozróżnić dwie kwestie. Są tunele dedykowane typowo lotnictwu i takie, które służą inżynierii lądowej. Nasz należy do tej drugiej grupy. Różnią się przede wszystkim zakresem generowanych prędkości oraz strukturą strumienia powietrza. W przypadku tuneli na potrzeby inżynierii lądowej wyróżniającą kwestią jest możliwość generowania turbulencji oraz modyfikacji jednorodności strumienia powietrza w celu uzyskania różnej jego prędkości na różnej wysokości nad podłogą. Jest to tzw. tunel aerodynamiczny z warstwą przyścienną. Ponadto w naszym tunelu klimatycznym TA2 możemy modyfikować zakres temperatur (włącznie z ujemnymi) i wilgotności poprzez symulację opadu deszczu lub mżawki oraz generować pro­mieniowanie podczerwone.

Do naszych potrzeb kluczowa jest symulacja turbulencji. Budynki i infrastruktura naziemna znajdują się w najniższej warstwie atmosfery, gdzie turbulencje są największe. Są one wywołane zawirowaniami powietrza, które natrafia na przeszkody: wzgórza, doliny i zabudowania. Uderzając w budynek, powietrze musi go opłynąć, co tworzy wiry i ruchy cząsteczek na boki. W tunelu musimy to zjawisko zasymulować. Wiatr jest zjawiskiem losowym, nieustalonym w czasie i przestrzeni, ale jako inżynierowie musimy je ująć w ramy statystyczne i przypisać mu pewne powtarzalne „schematy”, normy. Symulujemy również to, że wiatr przy ziemi wieje wol­niej, ale jest bardziej zawirowany (turbulentny), a im wyżej, tym jest szybszy, ale jego przepływ staje się bardziej laminarny. Tak właśnie dzieje się w naturze, w pełnej skali.

Dzięki temu możemy określić odpowiednie wartości obciążeń do poszczególnych kondygnacji i w efekcie zaprojektować (bądź zweryfikować opracowany projekt i ewentualnie go poprawić) budynek spełniający normy bezpieczeństwa i komfortu wibracyjnego z uwagi na wymuszenie obciążenia wiatrem. Jest to szczególnie ważne w lokalizacjach jak, np. centra miast, w których występują inne obiekty wpływające na strukturę wiatru, a przez to interferujące z analizowanym budynkiem, budowlą inżynierską.

Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej Fot.: Jan Zych
Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej
Fot.: Jan Zych

Można więc zaprojektować w tunelu przepływ tak, aby wiernie odwzorowywał rzeczywistość i następnie dostarczał konkretnych wartości liczbowych do projektowania?

Badania w tunelach aerodynamicznych umożliwiają określenie konkretnych wartości obciążeń nawet dla skomplikowanych zjawisk towarzyszących przestrzennemu opływowi powietrza wokół budynków, budowli inżynierskich, co bardzo ułatwia prace obliczeniowe konstruktorom na etapie projektu. Następnie wyniki uzyskane z badań eksperymentalnych są aplikowane zarówno do obliczeń stateczności konstrukcji głównej budynku, jak i do obliczeń w zakresie projektu poszczególnych elementów elewacji (w tym również łączników), znajdujących się na różnych wysokościach budynku.

W jaki sposób przekłada się wyniki badań tunelowych na wyniki pełnoskalowe?

W przypadku jakichkolwiek badań laboratoryjnych w tunelu musimy wygenerować strukturę wiatru jak najbardziej odpowiadającą rzeczywistości. Warto nadmienić, że nigdy w warunkach laboratoryjnych nie da się jej odtworzyć w stu procentach, ale dzięki odpowiednim umiejęt­nościom, doświadczeniu Zespołu LIW PK i zastosowaniu specjalnych zabiegów jesteśmy bardzo blisko rzeczywisto­ści w skali naturalnej. Jednym z podstawowych ograniczeń w badaniach tunelowych są rozmiary przestrzeni badawczej — nie można wcisnąć zbyt dużego obiektu do tunelu, ponieważ następuje efekt blokady przepływu i wyniki stają się niewiarygodne.

Dlatego korzysta się z przeskalowanych modeli, a w przełożeniu wyników pomiarów do skali docelowej z pomocą przychodzi nam aparat matematyczny i fizyczny, rozwijany od lat 60. ubiegłego wieku. Wraz z wprowadzaniem tuneli aerodynamicznych prowadzono prace nad analizą podobieństwa zjawisk oraz kryteriami podobieństwa, wymaganymi do spełnienia w badaniach w tunelach aerodynamicznych. Mamy kryteria, które sprowadzają się do liczb podobieństwa, czyli liczb bezwymiarowych. W uproszczeniu: jeśli porównujemy obiekt w skali modelowej o wymiarze 2 metrów, który w skali rzeczywistej ma np. 200 metrów, i skrócimy jednostki, pozbywamy się ich całkowicie, uzyskując bezwymiarową liczbę podobieństwa, w tym przypadku współczynnik skali geometrycznej.

Jeśli więc odpowiednio przeskalujemy geometrię, a pozostałe parametry takie, jak m.in.: gęstość powietrza, temperatura, ciśnienie etc. będą odpowiadać rzeczywistości, to zjawiska badane w skali modelowej będą wiarygodne. Warunkiem jest spełnienie kryteriów podobieństwa istotnych z punktu widzenia danego eksperymentu. W przypadku badań eksperymentalnych nie jesteśmy w stanie spełnić wszystkich kryteriów naraz. Warto podkreślić, że w zdecydowanej większości badań eksperymentalnych nie jest to konieczne. Jeżeli w laboratorium spełnimy kluczowe liczby kryterialne, to wiarygodność wyników w skali modelowej, po ich przełożeniu na skalę rzeczywistą, jest bardzo wysoka.

Sytuacja nieco się zmienia w momencie, kiedy w przyjętej bardzo małej skali modelowej nie ma możliwości odwzorowania drobnych detali. W takich przypadkach stosuje się odpowiednie zabiegi skutkujące w rezultacie zadowalającymi przybliżeniami. Na przykład, badając budynki, nie jesteśmy w stanie idealnie odwzorować wszystkich detali na elewacji — małych szprosów, wcięć i tym podobnych. Zamiast tego nadajemy modelowi tak zwaną chropowatość zastępczą. Ponieważ to nie jest dokładnie to samo, co w rzeczywistości, siłą rzeczy pojawia się pewien margines błędu. Należy o tym pamiętać w trakcie analizy otrzymanych wyników. Jest to „chleb powszedni” laboratoriów badawczych na całym świecie, z którym radzimy sobie bardzo dobrze już od kilku dekad.

Czy możliwości Laboratorium Inżynierii Wiatrowej ograniczone są jedynie do badań tunelowych?

Dzięki nowemu sprzętowi, który kupujemy m.in. w ramach projektu CEZAR, będziemy mieli na zewnątrz laboratorium stanowisko do badania pełnowymiarowych turbin o mocy do 5 kW. Pozwoli nam to badać kompletne siłownie wiatrowe w warunkach rzeczywistych i sprawdzać parametry „prądu na wyjściu” za pomocą certyfikowanego sprzętu. Pozwoli to na wydawanie kart technicznych systemów gotowych do wypuszczenia na rynek. Na ten moment posiadamy infrastrukturę badawczą, umożliwiającą identyfikację charakterystyk aerodynamicznych, czyli podstawowych informacji technicznych, określających sprawność aerodynamiczną wirników. Jesteśmy w tym ekspertami. Warto podkreślić, że na końcowy efekt tj. określenie skuteczności pracy, działania (ilość prądu) kompletnej siłowni wiatrowej wpływają również inne podzespoły, w szczególności: prądnice, okablowanie, sterowniki i przekształtniki, falowniki.

Jak Laboratorium uczestniczy we wprowadzaniu energetyki wiatrowej?

Zgodnie z naszą wizją działalność laboratorium opiera się na dwóch filarach. Bieżące zapotrzebowanie rynkowe zaspokajamy poprzez realizację mniejszych badań komercyjnych, natomiast w odpowiedzi na potrzeby długoterminowe pozyskujemy różnej „wielkości” granty. Taki model odzwierciedla standardową strukturę finansowania ośrodków badawczych w Polsce i na świecie, opartą na podziale na projekty komercyjne oraz badania podstawowe.

Obecnie trwają jeszcze prace kalibracyjne — dostosowanie przestrzeni pomiarowych do pożądanych parametrów. Przy okazji tych prac realizujemy różnorodne projekty komer­cyjne oraz poszerzamy ofertę możliwych do realizacji prac, zwiększając nasz potencjał, konkurencyjność rynkową. Strategię tę, czyli profilowanie laboratorium jako jednostki nastawionej na pokrycie zapotrzebowania biznesowego, a nie tylko stricte naukowej, uzgodniliśmy z władzami uczelni. Naszą agendę badawczą oparliśmy na gruntownych badaniach tego zapotrzebowania. Naszym celem jest wypełnienie istniejącej luki rynkowej. Brak tego typu krajowych jednostek badawczych sprawiał, że usługi te zlecano podmiotom zachodnim lub spoza UE.

Jednocześnie obserwujemy silne naciski ze strony zachodniego lobby w kontekście zielonej transformacji. W ciągu ostatnich lat rynki zachodnie uległy nasyceniu, w efekcie czego próbuje się nam narzucić technologie przestarzałe lub bardzo drogie w eksploatacji, takie jak morskie farmy wiatrowe. Z ogólnodostępnych badań jednoznacznie wynika, że koszt wyprodukowania megawatogodziny energii z tego źródła jest najwyższy, ze względu na bardzo wysokie koszty budowy i eksploatacji. Polska nie powinna akceptować nieefektywnych rozwiązań. W związku z tym kluczowe jest, aby Ministerstwo w procesie decyzyjnym bezpośrednio konsultowało się z krajowymi specjalistami z branży, m.in. z członkami Polskiego Stowarzyszenia Inżynierii Wiatrowej.

Czy niektóre z tych technologii są w naszych warunkach nieoptymalne lub za drogie, a mimo to są forsowane?

Tak. Powinniśmy rzetelnie kalkulować opłacalność technologii w perspektywie najbliższych 15 lat, zamiast ślepo podążać za trendami, które czasem się nie sprawdzają — jak widać choćby po problemach rynku samochodów elektrycznych. Skoro jesteśmy suwerennym krajem, po­winniśmy stawiać nasz interes gospodarczy na pierwszym miejscu, opierając się na rzetelnych wyliczeniach, a nie na ideologii i propagandzie.

Co zatem Politechnika i jej eksperci mogą zaoferować, jeśli chodzi o wskazanie właściwego kierunku?

Uważamy, że Polska potrzebuje dobrze skalkulowanego miksu energetycznego. Nie możemy polegać wyłącznie na jednym źródle energetycznym, a już wyłącznie na „zielonej energii”. Potrzebujemy zrównoważonego systemu: nowoczesnej i bezpiecznej energetyki węglowej, sprawnej energetyki jądrowej, tam gdzie to możliwe geotermii, a farmy wiatrowe czy fotowoltaikę powinniśmy lokować wyłącznie tam, gdzie jest to geograficznie i ekonomicznie uzasadnione. Musimy pamiętać, że odnawialne źródła energii (OZE) bywają niestabilne — kiedy nie wieje i nie świeci słońce, musimy mieć zabezpieczenie w postaci konwencjonalnych elektrowni. Na Politechnice pracuje wielu wybitnych ekspertów: od energetyki, od paliw, od OZE. Dobrze byłoby zorganizować forum, na którym wypracowalibyśmy wspólne, politechniczne stanowisko doradcze dla państwa. Moglibyśmy wskazać, biorąc pod uwagę mapę wietrzności Polski, że budowa wiatraków opłaca się tylko w konkretnych strefach, np. w strefie nadmorskiej lub w północnej i częściowo środkowej Polsce. Jest jeszcze drugi, bardzo istotny czynnik, o którym się zapomina: możliwości sieci przesyłowej. Rozwój wielkich farm wiatrowych wymaga bowiem potężnych inwestycji w infrastrukturę przesyłową, co generuje ogromne koszty, które ostatecznie ponoszą wszyscy konsumenci energii elektrycznej. Dlatego do każdej takiej inwestycji należy podchodzić chłodno: policzyć wszystkie koszty, także te przyszłe, związane np. z recyklingiem. Kluczowe jest uwzględnienie żywotności technologii i rzetelna analiza, czy w wieloletniej perspektywie nam, Polakom się po prostu opłaci.

Jakie badania można przeprowadzać w Laboratorium?

Badania aerodynamiczne dzielimy na trzy grupy: badania w naturze (w warunkach rzeczywistych), badania w laboratorium w skali 1:1 oraz badania modeli w skali (pomniejszonej). Badania w naturze są drogie i trudne do zrealizowania, bo można je przeprowadzić dopiero, gdy badany obiekt powstanie w docelowej lokalizacji. Dlatego w tunelu symulujemy te zjawiska na modelach.

W naszym laboratorium posiadamy autorską hamownię dla turbin wiatrowych, co pozwala badać oba typy turbin, tj. o osi poziomej (HAWT — Horizontal axis wind turbine) — to klasyczne wiatraki, zwłaszcza te największe, najczęściej trzyłopatowe, oraz o osi pionowej (VAWT — Vertical axis wind turbine) — to np. turbiny Savoniusa z ramionami w kształcie fragmentów cylindra, działające na siłę oporu lub turbiny Darrieusa z profilami w formie prostych lub wy­giętych skrzydeł, działające na siłę nośną.

Możliwości Laboratorium Inżynierii Wiatrowej pozwalają zbadać efektywność innowacyjnych rozwiązań. Na zdjęciu badana w 2025 roku turbina Winner 3.0 Fot.: Łukasz Flaga
Możliwości Laboratorium Inżynierii Wiatrowej pozwalają zbadać efektywność innowacyjnych rozwiązań. Na zdjęciu badana w 2025 roku turbina Winner 3.0
Fot.: Łukasz Flaga

Kiedy do wirnika dodamy całą resztę komponentów — prądnicę, przekształtnik, sterowanie, przekształtnik lub falownik i magazyn energii — mówimy już o kompletnej siłowni wiatrowej. Turbina wiatrowa sama w sobie generuje tzw. „dziki prąd”. Wiatr rzadko wieje bez porywów, tym samym nie jest laminarny; zazwyczaj jest porywisty i turbulentny, przez co wirnik raz kręci się szybciej, raz wolniej. Prądnica jest napędzana wirnikiem, więc napięcie i częstotliwość stale się zmieniają. Aby ten „dziki prąd” zamienić na stabilny, czyli taki, który możemy wykorzystać w gniazdku czy w akumulatorach, potrzebny jest cały łańcuch urządzeń elektronicznych. Każde z nich, niestety, nieco osłabia całkowitą sprawność siłowni. Na naszej hamowni badamy sprawność aerodynamiczną, opierając się na wykresach mocy turbiny i momentu obrotowego. Kluczowym parametrem, który wyznaczamy, jest zależność współczynnika mocy turbiny do jej wyróżnika szybkobieżności (czyli stosunku prędkości obrotu końca łopaty do prędkości wiejącego wiatru). Mówiąc prościej: sprawdzamy, ile energii z wiatru turbina jest w stanie realnie odebrać. Ale fizyka ma swoje limity i niemożliwe jest 100 proc. sprawności. Zgodnie z tzw. granicą Betza turbina wiatrowa może maksymalnie odebrać z wiatru około 59 proc. jego energii kinetycznej, reszta powietrza musi przepłynąć między łopatami, by zachować ciągłość przepływu. Najlepsze, precyzyjnie wykonane turbiny, osiągają w idealnych warunkach sprawność rzędu 50–55 proc.

Jednak wysoka sprawność to nie wszystko. Czasami te­stujemy proste turbiny o niższej sprawności (np. 40 proc.), ale o szerszym zakresie działania. Są one bardziej „prymitywne” aerodynamicznie, co oznacza, że nie posiadają wyszukanych kształtów czy np. mechanizmu zmiany kąta położenia łopat. Niektóre z nich kręcą się wolniej, mają dużo większą masę, ale są przez to znacznie mniej wrażliwe na burzliwy wiatr. Warto wspomnieć, że są również bezawaryjne i niekłopotliwe w eksploatacji, a przy tym tanie w produkcji. W dłuższej perspektywie cza­sowej, np. 20 lat, taka prosta, niewymagająca drogiego serwisu turbina może okazać się bardziej rentowna niż bardzo skomplikowany, wrażliwy na uszkodzenia sprzęt. Dlatego badamy różne typy urządzeń, bo w zależności od potrzeb, mniejsza sprawność może być rekompensowa­na przez niezawodność (tj. spokój ducha) i niskie koszty eksploatacji.

Który parametr jest istotny dla użytkownika?

Głównym parametrem, na który patrzy rynek, jest krzywa mocy, czyli zależność mocy generowanej na wyjściu od prędkości wiatru. Ta krzywa zazwyczaj ma kształt litery „S” i przy pewnej prędkości wiatru (np. 10 m/s) osiąga swoją wartość nominalną. Z drugiej strony mamy współczynnik momentu obrotowego. Istnieją turbiny, które mają ogromny moment, tak jak dawne wiatraki do mielenia zboża. Kiedy wiatr wprawi je w ruch, osiągają duży moment obrotowy, choć kręcą się bardzo wolno. I tu pojawia się problem: co z tego, że mam potężny moment obrotowy, który pozwalałby zemleć mąkę, skoro przy niskiej prędkości obrotowej turbina nie wyprodukuje wystarczającej mocy elektrycznej?

W jaki sposób konfigurować elementy elektrowni wiatrowej?

Parametry trzeba precyzyjnie dobierać do lokalnych warunków wietrznych i konkretnego zastosowania. Podam przykład: ktoś kupuje komercyjną turbinę o mocy 2 kW. Producent podaje, że osiągnie ona 2 kW dopiero przy wietrze, który wieje z prędkością 15 m/s. Tak silne wiatry zdarzają się w Polsce stosunkowo rzadko, najczęściej podczas przechodzenia tzw. „wichury”. Znacznie częściej występują wiatry o prędkości rzędu 8 m/s, które niosą w sobie mniej energii niż wiatry o prędkości 15m/s. W takiej sytuacji duża turbina, potrzebująca „wichury” do osiągnięcia swoich 2 kW, przy wietrze 8 m/s wyprodukuje np. zaledwie 200–500 W prądu, bo dopiero zaczyna „wspinać się” po swojej krzywej mocy. Tymczasem o wiele lepiej sprawdziłaby się inna turbina, niekiedy nawet teoretycznie słabsza, np. o mocy nominalnej 1 kW, ale taka, która jest zoptymalizowana do pracy przy słabszym wietrze (np. 8 m/s). Dzięki właściwie dobranym parametrom, nastawom przez większość czasu w takich warunkach będzie ona stabilnie produkować 800–900 W.

A co się dzieje z mniejszą turbiną, jeśli wiatr zacznie wiać silniej, np. 15 m/s?

Turbina po prostu produkuje więcej prądu. Na naszej uczelnianej hamowni sprawdzaliśmy takie zjawiska. Roz­pędzaliśmy turbinę ponad prędkość przewidzianą przez producenta i okazywało się, że z deklarowanego 1 kW nagle robiły się nawet 2 kW. Jednak tylko do pewnego momentu — niektóre konstrukcje wchodzą w tzw. stan samohamow­ności. Kręcą się tak szybko, że zjawiska aerodynamiczne zaczynają je naturalnie zwalniać, przez co ich sprawność drastycznie spada. Im silniejszy wiatr, tym lepiej, ale tylko do określonej granicy. Po jej przekroczeniu silniejszy wiatr może doprowadzić do zniszczenia urządzenia. Stosuje się zabiegi przeciwdziałające temu (m.in. hamulce oporowe, mechaniczne czy aerodynamiczne).

Dobór odpowiedniej turbiny to tylko część procesu projektowania elektrowni wiatrowej?

Tak, i należy ją dobrać precyzyjnie do warunków lokalnych. Tego, niestety, często w Polsce brakuje. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej zaczął niedawno tworzyć atlas małej energetyki wiatrowej. Zgodnie ze sztuką inżynierską, przed postawieniem turbiny powinniśmy zlokalizować najlepsze miejsce, postawić tam stację meteorologiczną na planowanej wysokości wirnika i przez co najmniej rok zbierać dane, by poznać lokalną różę wiatrów. Dopiero na podstawie tych danych dobieramy model turbiny i pracę sterownika. Można wtedy dokładnie obliczyć, ile prądu rocznie z niej uzyskamy. Jeśli zrobimy to bez tego przygotowania, stawiając wiatrak w przypadkowym miejscu, gdzie nie ma odpowiedniego przewiewu, uzysk energetyczny może być nawet kilkukrotnie niższy niż stawiając kilka metrów dalej, w uprzywilejowanym kanale powietrznym.

Farma wiatrowa Fot.: Michał Pierewicz
Farma wiatrowa
Fot.: Michał Pierewicz

W powszechnej opinii pokutuje przeświadczenie, że moc urządzenia, zadeklarowana przez jego sprzedaw­cę, jest gwarantowana — wystarczy tylko „podpiąć” do wiatru. Czy można temu ufać?

To najdroższe z możliwych rozwiązań — czysta loteria. Oczywiście, jakiś uzysk energii z tego będzie, ale ktoś może zainwestować np. 12 tys. złotych w zestaw, który z powodu złej lokalizacji (np. zasłonięcia przez budynki) wyprodukuje prąd o wartości 1000 złotych rocznie. Taka inwestycja zwróci się po 12 latach. Tyle że po 7–8 latach ten sprzęt może będzie wymagać stosunkowo drogiej regeneracji, serwisowania i koszty znów wzrosną.

Jako inżynier ufam liczbom. Montaż instalacji fotowol­taicznej czy wiatrowej musi być poparty rzetelną analizą i kalkulacją: ile energii planuję wyprodukować, kiedy będę z niej korzystał (czy będę wtedy w domu?) i po jakim czasie mi się to zwróci. Kierowanie się „okazjami” z internetu czy samą ideologią OZE jest po prostu nierozsądne. Czasami mała elektrownia wiatrowa umieszczona na krawędzi dachu płaskiego da finalnie lepszy ekonomiczny efekt — rentowność inwestycji — niż duża, głośna, wyeksponowana siłownia wiatrowa na wysokim maszcie (z uwzględnieniem całkowitych poniesionych kosztów, w tym czasu i zabiegów niezbędnych do uzyskania pozwolenia na budowę).

Czy w tunelu aerodynamicznym prowadzicie też badania, jak umiejscowienie turbiny na dachu budynku wpływa na jej pracę i bezpieczeństwo?

Tak, to się świetnie uzupełnia. Pomiar w naturze na istniejącym budynku daje nam obraz rzeczywistych warunków. Natomiast w tunelu aerodynamicznym możemy, na pomniejszonym modelu tego budynku, tanio i szybko sprawdzić różne warianty. Możemy testować różne roz­miary, typy i lokalizacje turbin wiatrowych, aby sprawdzić, w którym miejscu na dachu będą największe zyski energii, przy jednoczesnej weryfikacji i zabezpieczeniu przed uszkodzeniami konstrukcji budynku. Dopiero szczegółowa analiza z weryfikacją w warunkach rzeczywistych daje pełen obraz sytuacji.

Badanie turbiny wiatrowej w tunelu aerodynamicznym w celu wyznaczenia jej podstawowych charakterystyk aerodynamicznych. W tle widoczne 3 wentylatory, każdy o mocy nominalnej 204 kW Fot.: Jan Zych
Badanie turbiny wiatrowej w tunelu aerodynamicznym w celu wyznaczenia jej podstawowych charakterystyk aerodynamicznych.
W tle widoczne 3 wentylatory, każdy o mocy nominalnej 204 kW
Fot.: Jan Zych

Czy badane jest zachowanie turbin w ekstremalnych warunkach?

Badania aerodynamiczne mogą być niszczące lub nieniszczące. Staramy się unikać badań niszczących, bo wiążą się z potężnymi siłami i niebezpieczeństwem uszkodzenia laboratorium. Skupiamy się na wyznaczaniu trzech kluczowych parametrów pracy turbiny:

• Punkt startu — prędkość wiatru, przy której turbina w ogóle zaczyna się kręcić, nawet jeśli jeszcze nie produkuje prądu. To bardzo ważny argument dla klientów, którzy jedynie na tej podstawie oceniają skuteczność turbiny.

• Punkt pracy nominalnej — prędkość, przy której uzyskujemy satysfakcjonującą moc (np. 8–9 m/s). Dopiero ta wielkość ma realne znaczenie, a deklaracje produ­centa często są nierealne.

• Prędkość odcięcia — moment, w którym wiatr jest zbyt silny i porywisty (przy dużych turbinach to ok. 23–25 m/s) i turbina musi zostać zahamowana, aby uchronić ją przed zniszczeniem.

W ramach projektu CEZAR zostanie uzupełniona infrastruktura badawcza, co pozwoli na pomiar oporu aerodynamicznego poszczególnych turbin wiatrowych w trakcie ich postoju i pracy. Ta wiedza jest kluczowa, by bezpiecznie projektować konstrukcje wsporcze i fundamenty siłowni wiatrowych.

Czyli projekt CEZAR zapewni Laboratorium Inżynierii Wiatrowej PK kompletne możliwości badawcze: od małych modeli w tunelu, po duże turbiny na zewnątrz?

Chcemy być gotowi na zapotrzebowanie rynku. Pragnę podkreślić, że inicjatywa uzupełnienia zakresu posiada­nej infrastruktury LIW PK w celu poszerzenia możliwości prac badawczych, na które występuje zapotrzebowanie rynkowe, od zawsze przyświeca działaniom Zespołu LIW PK. Uważam, że instytucje państwowe, przyznające dofinansowania na małe wiatraki, powinny wymagać od wnioskodawców wiarygodnych kalkulacji zwrotu z inwestycji i certyfikowanych charakterystyk urządzeń. Obecnie tego mechanizmu weryfikacji nie ma. Rozdano sporo pienię­dzy na projekty, które się nie sprawdzają w praktyce. Nie generują „zadeklarowanych” wartości energii. Zatem dofinansowanie w takiej formie jest niewłaściwe i skutkuje wyrzucaniem pieniędzy w błoto. Należy eksponować takie sytuacje, szybko wyciągać wnioski i podejmować stosowne działania prawne, zabezpieczające przed nimi. Badania w Laboratorium Inżynierii Wiatrowej PK mogą przyczynić się do racjonalizacji wykorzystania takich dofinansowań, zwłaszcza że są to programy ogólnopolskie.

Dziękuję za rozmowę.

Dr inż. arch. Łukasz Flaga posiada dwa tytuły magisterskie (w dziedzinie architektury i urbanistyki oraz inżynierii lądowej, specjalność: mosty i budowle podziemne) oraz obroniony z wyróżnieniem doktorat dotyczący krajobrazu przepraw mostowych, uzyskane na Politechnice Krakowskiej. Od 2005 r. jest członkiem zespołu badawczego Laboratorium Inżynierii Wiatrowej PK, obecnie na stanowisku starszego specjalisty naukowo-technicznego. Posiada ogromne doświadczenie (ponad 84 prace badawcze) w badaniach w tunelu aerodynamicznym, m.in. w zakresie budynków wysokościowych i konstrukcji inżynierskich, badań śniegowych, przewodów linii elektroenergetycznych, turbin wiatrowych i działania dynamicznego na warstwę atmosfery. Brał kluczowy udział w projekcie budowy Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej PK oraz jako główny wykonawca m.in. w projektach badawczych NCBiR, PARP, FE. Jest współtwórcą patentów i aktywnym członkiem Polskiego Stowarzyszenia Inżynierii Wiatrowej.

Przewijanie do góry