Energetyczne i akustyczne uwarunkowania lokalizacji farm wiatrowych : rozprawa doktorska / Katarzyna Wolniewicz ; Politechnika Koszalińska. Wydział Inżynierii Lądowej, Środowiska i Geodezji.

Druk jednostronny.

Rozprawa doktorska. Politechnika Koszalińska. 2023.

Bibliografia na stronach 34-36.

Dostępne online na zasadzie licencji Creative Commons wersja CC BY-NC 4.0.

Podjęta w rozprawie doktorskiej tematyka wynika ze zwiększonego popytu na energię elektryczną, szczególnie pochodzącą ze źródeł odnawialnych. Zadaniem inżynierii lądowej jest kształtowanie powierzchni Ziemi pod potrzeby egzystencji człowieka. Przekształcając obszar ziemi pod elektrownię wiatrową musimy mieć na uwadze charakter zagospodarowania przestrzeni, który determinowany jest przez dopuszczalne poziomy hałasu w środowisku. Wciąż rosnące potrzeby energetyczne mogą zostać w dużej mierze zaspokojone poprzez wytypowanie i przekształcenie terenu pod przyszłą elektrownię wiatrową. Energetyka wiatrowa na lądzie stanowi dynamicznie rozwijający się sektor energetyki odnawialnej i ma wszelkie predyspozycje do tego, by stać się odpowiedzią zarówno na kryzys klimatyczny, jak i gospodarczy. Rozwój energetyki wiatrowej poza ograniczeniami ustawowymi determinowany jest odpowiednimi warunkami wietrznymi oraz dostępnością terenu przeznaczonego pod elektrownię. Zakres pracy doktorskiej obejmuje analizy wietrzności oraz hałasu pochodzącego od turbin wiatrowych (WT) determinujących lokalizację farmy wiatrowej (WF). Wybór terenu lokalizacji elektrowni ograniczony jest głównie warunkami wietrznymi oraz zabudową chronioną akustycznie (jednorodzinną, wielorodzinną i zagrodową). Odległość WT od danej zabudowy uzależniona jest z jednej strony od emisji źródła, a z drugiej od dopuszczalnego poziomu hałasu na terenie chronionym akustycznie.
Podstawowe narzędzia, które determinują lokalizację przyszłych farm wiatrowych to: zapisy miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego, mapy topograficzne, identyfikacja szorstkości terenu i stałych barier, założenia dotyczące warunków wietrznych, dobór wysokości i mocy turbin wiatrowych. Wizja lokalna w miejscu lokalizacji przyszłej farmy wiatrowej dostarcza informacji o stanie rzeczywistym (zapisy fotograficzne, dane z GPS, a także pełny i szczegółowy opis wszystkich barier występujących w danej lokalizacji). Przeszkody, które mogą wpływać na potencjał energetyczny wiatru, to zazwyczaj budynki przemysłowe, budynki mieszkalne, lasy, pojedyncze drzewa, kominy, inne turbiny wiatrowe, wieże obserwacyjne, wieże komunikacyjne, wzgórza, góry, hałdy, mosty itp. Poprawnie przeprowadzona kampania pomiarowa warunków wietrzności musi uwzględniać powyższe uwarunkowania. Brane są pod uwagę warunki lokalizacyjne oraz wymogi ochrony środowiska przy zachowaniu szeroko pojętej optymalizacji pozyskiwanej energii elektrycznej. Decyzje podjęte na tym etapie determinują dalszy przebieg realizacji przedsięwzięcia. Odpowiednio wykonana koncepcja techniczna pozwala na minimalizację ryzyka inwestycyjnego oraz optymalizację kosztów na etapie projektowym, budowlanym i eksploatacyjnym.
W procesie ustalania lokalizacji i doboru urządzeń farmy wiatrowej zauważa się brak koordynacji działań zespołów projektowych. Proces doboru turbin WF zaczyna się zwykle od ustalenia dostępności urządzeń na rynku. Inwestor wskazuje grupę urządzeń do dalszych analiz. Następnie zespoły specjalistów przystępują do projektowania. Ponieważ bardzo ważny jest aspekt ekonomiczny przedsięwzięcia, badana jest produktywność przyszłej elektrowni. Mając to na uwadze zespół energetyczny wybiera jeden typ urządzenia oraz konkretne punkty posadowienia turbin, następnie grupa akustyków przyjmuje WF do analiz. Ze względu na uwarunkowania środowiskowe i przestrzenne zespół akustyków często wprowadza zmiany lokalizacji turbin oraz korekty trybów pracy urządzenia. Korekta polega na ograniczeniu mocy akustycznej urządzenia kosztem produktywności, a tym samym wydłużeniu czasu zwrotu kosztów inwestycji. Problem ten dotyczy wszystkich realizowanych projektów. Praktycznie wygląda to tak, że zespół akustyków skupia się wyłącznie na analizach hałasu, a zespół energetyków analizuje tylko aspekt maksymalnej produktywności WF. W celu zniwelowania powyższego problemu, konieczne jest równoległe prowadzenie analiz akustycznych i energetycznych podczas projektowania umiejscowienia oraz doboru typu turbiny na farmie wiatrowej. Równoległe prowadzenie analiz pozwoli uniknąć błędu wytypowania turbiny, która w danej lokalizacji nie byłaby optymalna ze względu na jej produktywność przy danych warunkach wietrznych, przestrzennych i środowiskowych. Do analiz należy wybrać kilka urządzeń (turbin) o podobnej mocy akustycznej. Odpowiedni dobór turbiny wiatrowej (przy równoczesnym uwzględnieniu analizy środowiskowej i energetycznej) pozwoli osiągnąć maksymalny wynik ekonomiczny inwestycji.
Przeprowadzone analizy wykazały, że dokonując wyboru typu turbiny wiatrowej w danej lokalizacji należy przede wszystkim sprawdzić krzywą mocy prądowej urządzenia. Krzywa mocy przedstawia zależność generowanej mocy od prędkości wiatru. Okazało się, że najmniej wydajne w badanych lokalizacjach były turbiny o mocy nominalnej 2.3 - 2.5 MW. Ze względu na rozkład godzinowy poszczególnych prędkości wiatru, najwydajniejsze energetycznie okazały się turbiny o mocy 2 MW. Pewnym zaskoczeniem jest najmniejsza produktywność turbiny W2E100/2.55, gdyż ma ona największy wirnik i największą moc nominalną z badanych.
Uzyskanie celu akustycznego (zachowanie poziomów dopuszczalnych hałasu) wymaga często redukcji mocy akustycznej kilku turbin wiatrowych na farmie, oznacza to zazwyczaj spadek ich produktywności. Proces ten wymaga zmiany oprogramowania sterującego pracą turbiny i zawsze odbywa się kosztem generowanej energii (zmianą krzywej mocy). Niektóre typy turbin wiatrowych poza zmianą krzywej mocy mogą mieć stosowane nakładki montowane na łopaty wirnika turbiny, które nie powodują ograniczenia jej produktywności, a o kilka decybeli zmniejszają moc akustyczną urządzenia. Stosowana jest również optymalizacja lokalizacji urządzeń na farmie wiatrowej. Wykazano, że stosując powyższe rozwiązania, możliwe jest przekształcenie terenu pod elektrownie wiatrową z ograniczeniem emisji akustycznej turbin bez straty wydajności energetycznej farmy wiatrowej.
Otrzymane rezultaty potwierdziły osiągnięcie założonych celi. Wykonane badania wpisują się w globalny trend mający na celu dobro przyszłych pokoleń. Poddając ocenie osiągnięte wnioski z przeprowadzonych badań należy stwierdzić, że przekształcenie terenu rolniczego w elektrownię wiatrową może być dokonane bez szkody dla środowiska przy jednoczesnej realizacji celów ekonomicznych.

Streszczenie w języku polskim i angielskim.