Możliwości zastosowania turbin wiatrowych w obszarach miejskich

Przegląd miejskich turbin wiatrowych

Na obszarach miejskich dochodzi do spotęgowania prędkości i gęstości przepływu powietrza na skutek występowania przeszkód, takich jak budynki, konstrukcje i pojazdy. Stwarza to okazję do miejscowego wykorzystania zwiększonej gęstości i prędkości wiatru. Niestety w miastach dochodzi również do zmniejszenia średniego przepływu powietrza z powodu zwiększonej szorstkości gruntu. Powstające tarcie i często zmieniający się kierunek wiatru (miejscowe turbulencje) wpływają niekorzystnie na działanie turbin wiatrowych. Dlatego zaprojektowanie wydajnych i skutecznie działających jednostek, które będą w stanie w tych warunkach efektywnie wytwarzać energię elektryczną, jest obecnie zadaniem najważniejszym [1].

Istnieje bardzo wiele rozwiązań turbin wiatrowych możliwych do zastosowania na obszarach miejskich. Różnią się one kształtem geometrycznym i osią obrotu. Podobnie jak w przypadku tradycyjnych siłowni wiatrowych, urządzenia stosowane w miastach klasyfikowane są jako turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu HWAT (horizontal axis wind turbines) i turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu VAWT (vertical axis wind turbines). Niektóre przykłady komercyjnie stosowanych miejskich turbin wiatrowych przedstawiono na rys. 1.

Bardziej sprawdzone i częściej spotykane w energetyce zawodowej są siłownie o poziomej osi obrotu, jednak w przypadku małych instalacji miejskich ich zalety nie przewyższają zalet turbin typu VAWT. Główną przyczyną tego zjawiska jest występowanie zwiększonego przepływu turbulentnego. W środowisku zabudowanym prędkość i kierunek wiatru często się zmieniają, a nieprzewidywalne turbulencje utrudniają efektywne wykorzystanie energii wiatru przez turbiny HAWT [1].

Turbiny o pionowej osi obrotu można również podzielić na dwie kategorie: turbiny Darrieusa i Savoniusa. Urządzenia te wykorzystują odmienne zasady do wychwytywania energii wiatru. Turbiny Savoniusa są stosunkowo łatwe w produkcji i cechują się niezawodnością. Wirniki Savoniusa doskonale sprawdzają się w mikroskalowych instalacjach miejskich ze względu na stosunkowo niską prędkość załączania. Z kolei turbiny Darrieusa mają dobrą wydajność i charakteryzują się niskim poziomem emisji akustycznej, a ich jedynym mankamentem jest mały początkowy moment obrotowy. Jednostki VAWT obracają się wokół osi prostopadłej do prędkości wiatru. Dzięki temu pracują właściwie w środowiskach o częstych zmianach kierunku wiatru oraz tam, gdzie występują przepływy burzliwe [1].

HAWT to najczęściej stosowane typy turbin wiatrowych. Jednak ostatnie badania pokazują, że turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu są lepiej przystosowane do zastosowań miejskich [1].

Integracja turbin z budynkami

Potrzeby energetyczne budynków stanowią ponad 30% całkowitego zużycia energii elektrycznej na świecie. Dlatego wykorzystanie w obiektach budowlanych odnawialnych źródeł energii istotnie zwiększy ich udział w światowej produkcji energii. Z roku na rok coraz częściej usłyszeć można o architekturze energooszczędnej, wykorzystaniu ekologicznych źródeł energii oraz o domach niemal zeroenergetycznych czy pasywnych. Poza modnymi rozwiązaniami wykorzystującymi pompy ciepła i energię słoneczną w ostatnich latach zauważalny jest szybki rozwój energetyki wiatrowej, a właściwie stosowanie systemów wiatrowych jako części budynku [2].

Elektrownie wiatrowe, które wytwarzają energię z siły wiatru dla budynków, mają coraz nowocześniejsze kształty. Istnieje możliwość wyboru spośród wielu typów turbin wiatrowych, tak by uzyskać jak najlepsze dopasowanie do obiektu i warunków użytkowania [2].

Wyróżnia się trzy typy turbin wiatrowych występujących na budynkach:

• turbiny wiatrowe zamontowane na budynku – building mounted wind turbine (BMWT),
• turbiny wiatrowe zintegrowane z budynkiem – building integrated wind turbine (BIWT),
• turbiny wiatrowe zwiększające przepływ powietrza – building augmented wind turbine (BAWT).

Turbiny typu BMWT są fizycznie powiązane ze strukturą budynku, zwykle montowane na dachach. Budynki są skutecznie wykorzystywane jako wieża do umieszczenia turbiny w pożądanym przepływie wiatru. Konstrukcja budynku musi utrzymać urządzenie zarówno pod względem obciążeń, jak i ograniczeń związanych z hałasem i wibracji. Turbiny te są zdolne do funkcjonowania w pobliżu innych budynków i mogą wykorzystać lokalnie lepsze warunki wietrzne.

Na rynku dostępnych jest wiele różnych rodzajów małych turbin wiatrowych. Rys. 2 ilustruje przykład montażu turbiny mającej wirnik o poziomej osi obrotu. Tego typu jednostki są zwykle montowane na maszcie i następnie na konstrukcji dachu. Umiejscowienie turbiny na szczycie budynku jest rozwiązaniem często wybieranym, żeby ograniczyć efekty wizualne [3].

Z kolei na rys. 3 zaobserwować można przykład montażu turbin z wirnikiem o osi pionowej. Są one często instalowane na konstrukcji nośnej, a następnie umieszczane na konstrukcji dachu.

Termin „turbina wiatrowa zintegrowana z budynkiem” oznacza, że jest ona częścią konstrukcji budynku lub fasady. Oczywiście im mniejszy rozmiar urządzenia, tym łatwiej wbudować je  w obiekt. Turbiny typu BIMW powinny być w pewnym stopniu zaplanowane już na etapie projektowania budynku. Można je integrować na różne sposoby: pod względem konstrukcyjnym, architektonicznym, a nawet elektrycznym i energetycznym [3].

Integracja strukturalna turbin wiatrowych stwarza wiele wyzwań. Oprócz wykorzystania głównej powłoki budynku konieczne jest zastosowanie masztów i konstrukcji wsporczych, które powinny pełnić więcej niż jedną funkcję. Ważny jest wybór odpowiedniego miejsca integracji. Potencjalnym problemem jest przenoszenie wibracji i hałas – na etapie projektowym zalecane są pomiary testowe. Pomocne przy wyborze systemu strukturalnego łączenia z budynkiem mogą się okazać wielkość i krzywa mocy rozważanej turbiny wiatrowej. W większych projektach budowlanych częściej zastosowanie znajdują turbiny o poziomej osi obrotu. Rys. 4 pokazuje dobry przykład zintegrowania trzech urządzeń z konstrukcją dachu. Przedstawia budynek Strata SE1 mieszczący się w Londynie [3].

Rzadziej spotyka się obiekty ze zintegrowanymi turbinami o pionowej osi obrotu. Takie urządzenia montowane są często wzdłuż fasad. Przykładem budynku wykorzystującego tę technologię jest siedziba administracji publicznej w San Francisco (rys. 5). Jest to budynek biurowy najwyższej klasy (A). Miasto wyznaczyło sobie ambitne cele w związku z tą inwestycją i już w fazie projektowej założono 30-letni cykl życia budynku oraz uzyskanie wiodącej pozycji w zrównoważonym i przyjaznym dla środowiska budownictwie. Wytwarzanie energii elektrycznej odbywa się na miejscu za pomocą układów fotowoltaicznych zamontowanych na dachu oraz za pośrednictwem turbin o pionowej osi obrotu. Usytuowane zostały na północnej fasadzie budynku, która została specjalnie zaprojektowana, aby przyspieszyć pęd wiatru i zoptymalizować produkcję energii. Biurowiec został oddany do użytkowania w 2012 roku [5].

Turbiny typu BAWT są fizycznie zintegrowane z budynkiem w taki sposób, że wspomaga to i celowo zwiększa przepływ powietrza przez turbinę. Żeby ten cel osiągnąć, należy przeprowadzić szereg obliczeń i sporządzić znacznie bardziej szczegółowy projekt niż w przypadku turbin BIWT. Budynek projektuje się tak, by uzyskać optymalną siłę wiatru, a jego konstrukcję dobiera do dostępnych prędkości wiatru [3].

Rys. 6 przedstawia przykład budynku, który sam w sobie wzmaga przepływ powietrza przez zainstalowane w nim turbiny o poziomej osi obrotu. W obiekcie The Bahrain World Trade Center (BWTC) w Bahrajnie zainstalowano trzy turbiny na trzech różnych poziomach. Dwie wieże tworzące bryłę budynku połączone są za pomocą specjalnych konstrukcji, na których znajdują się wirniki. Każda z trzypłatowych turbin ma moc 225 kW oraz średnicę 29 m. Siłownie ustawione są w kierunku północnym, skąd wieje wiatr w Zatoce Perskiej. Budynki w kształcie żagli umożliwiają zwiększenie przepływu powietrza i tworzenie się efektu kanałowego. Przenoszą one dodatkowo wiatr przez szczelinę, co potęguje jego prędkość [6].

Budynkiem, który wspomaga przepływ powietrza do zainstalowanych w nim turbin o pionowej osi obrotu, jest także znajdujący się w Chinach Pearl River (rys. 7). Zarówno usytuowanie tego obiektu, jak i jego geometria są w stanie napędzać przepływ powietrza. Budynek jest w stanie wykorzystać dominujące wiatry. Dodatkowo na fasadzie budynku zamontowano zintegrowaną fotowoltaikę [8].

Kolejnym przykładem budynku zintegrowanego z wytwarzaniem energii wiatru jest 11-piętrowy Greenway Self Park (rys. 8), w którym wykorzystano turbiny o pionowej osi obrotu. Budynek pełni funkcję parkingu, znajduje się w centrum Chicago i został ukończony w 2012 roku. Dwanaście turbin wiatrowych ułożono w dwie podwójne spiralne kolumny wzdłuż południowo-zachodniego rogu budynku – w tamtym miejscu notuje się najwyższe prędkości wiatru. Co więcej, projekt budynku został rozszerzony poprzez ekspozycję i otwarcie rogu na przepływ powietrza. Turbiny zostały zamontowane w określonym celu: mają za zadanie generować moc wystarczającą do oświetlenia budynku nocą. Todd Halamka, dyrektor ds. projektowania w biurze HOK, które stworzyło projekt, następująco wyjaśniał wybór technologii: turbiny aluminiowe S594 produkcji Helix Wind zostały wybrane ze względu na stosunkowo niską prędkość wiatru, przy której zaczynają produkować energię elektryczną – ok. 0,45 m/s. Każda z jednostek obraca się niezależnie i jest w stanie wyprodukować do 4,5 kW mocy. Turbiny o osi pionowej mogą wykorzystać wiatr z dowolnego kierunku w szerokim zakresie prędkości, co niewątpliwie stanowi dużą zaletę przy wykorzystywaniu niestabilnych wiatrów występujących w miejskich mikrośrodowiskach. Turbiny o osi poziomej produkują energię bardziej wydajnie, ale z reguły zajmują więcej miejsca i są trudniejsze w integracji architektonicznej [10].

Na rys. 9 przedstawiono inny przykład budynku zintegrowanego z turbinami o pionowej osi. Na fasadzie 14-piętrowego obiektu o funkcji mieszkalno-biurowej znajdują się cztery turbiny wiatrowe firmy Quiet Revolution. Instalacja zlokalizowana jest w dzielnicy Dalston w Londynie.

Budynki przyszłości

Prezentowane powyżej przykłady istniejących budynków wykorzystujących energię wiatru pokazują coraz większe zainteresowanie obiektami tego typu. Rosnąca świadomość ekologiczna również przyczynia się do ich powstawania. Warto przyjrzeć się również budynkom jeszcze nieistniejącym, znajdującym się obecnie w różnych fazach projektowych czy realizacji. Poniżej pokazano przykłady przyszłych budynków zintegrowanych z wytwarzaniem energii wiatru.

Francuski architekt Jacques Ferrier zaprojektował HyperGreen Tower – budynek o wysokości 245 m, który ma spełniać najbardziej wymagające kryteria oszczędności i produkcji energii. Twórca rozplanował wieżowiec tak, aby zapewnić maksymalną ekspozycję na naturalne światło, a od strony południowej planowana jest instalacja 3000 m² ogniw fotowoltaicznych. Zbiorniki na wodę deszczową oraz turbiny wiatrowe zaplanowane są w górnej części budynku. Na zewnątrz zaprojektowano siatkę z betonu kanałowego, której zadaniem jest zmiana kierunku wiatru i kierowanie go na turbiny zainstalowane na dachu. Projekt budynku został zgłoszony do konkursu związanego z rozbudową dzielnicy La Defense w Paryżu, a jego wizualizację przedstawiono na rys. 10.

Zaprojektowany przez współtwórców projektu Pearl River Tower, Adriana Smitha i Gordona Gilla, budynek Clean Technology Tower w Chicago (rys. 11) ma być obiektem całkowicie ekologicznym, pozostającym w ścisłej symbiozie z otaczającym środowiskiem naturalnym, a energia elektryczna i cieplna ma w stu procentach pochodzić z odnawialnych źródeł energii, takich jak słońce i wiatr. Lokalizację przewidziano w pobliżu jeziora Michigan i rzeki Chicago. Dach wieżowca będzie miał opływowy kształt i zostaną z nim zintegrowane ogniwa fotowoltaiczne. Konstrukcja kopuły wykonana zostanie z dwóch niezależnych warstw, a pomiędzy nimi planuje się montaż 26 turbin wiatrowych. Profil aerodynamiczny kopuły został specjalnie zaprojektowany tak, by możliwe było optymalne wykorzystanie energii kinetycznej wiejących wiatrów. Dodatkowo planuje się wykonanie przewężeń, które mają zasysać wiatr, wykorzystując powstające podciśnienie. Elektronie wiatrowe także zostaną zintegrowane z każdą z czterech krawędzi budynku. Będą to urządzenia o pionowej osi obrotu, kształtem przypominające serpentyny [6].

Kolejnym budynkiem przyszłości jest łączący sztukę, architekturę i energię odnawialną Wind Shaped Pavillon (rys. 12) zaprojektowany przez Michaela Jantzena. To przykład budownictwa dynamicznego. Projekt ma się składać z sześciu oddzielnych segmentów, które pod wpływem podmuchów wiatru będą się obracać wokół centralnego trzonu, wzdłuż osi pionowej. Budynek będzie automatycznie dostosowywał swój kształt do aktualnie panujących warunków atmosferycznych. Generowana przez poruszające się elementy energia elektryczna ma zapewnić oświetlenie budynku w nocy. Wiejący wiatr ma także pomagać w chłodzeniu obiektu [15].

W 2009 roku zaprezentowano projekt wieżowca o nazwie COR Tower, który ma zostać zbudowany w Miami (rys. 13). Ten futurystyczny obiekt będzie wykonany w części z materiałów pochodzących z recyklingu i wyposażony w panele fotowoltaiczne i turbiny wiatrowe. Bryła budynku ma wspomagać pracę siłowni wiatrowych. Turbiny znajdować się będą w górnej części specjalnie skonstruowanego egzoszkieletu [16].

Ostatnim z opisanych przykładów jest budynek Kai Tak Motorwave Green – w uproszczeniu: budynek X (rys. 14). W zamyśle projektantów będzie to obiekt w pełni ekologiczny i samowystarczalny. Dwie wieże zostały ustawione pod kątem względem siebie, aby budynek zyskał wytrzymałość strukturalną, ale przede wszystkim w celu skoncentrowania wiatru na turbinach – powietrze wpychane jest do dołu. Powstający na budynku efekt Venturiego dodatkowo zwiększa prędkość wiatru. Przestrzeń między budynkami zostanie w całości zagospodarowana przez różnego rodzaju elektrownie wiatrowe. Planowana moc zainstalowana wynosi 1 MW. Co więcej, na górze budynku planuje się montaż gigantycznej turbiny o pionowej osi obrotu, o średnicy 240 m i mocy nominalnej 2 MW [6].

Podsumowanie

W artykule omówiono najpopularniejsze rodzaje turbin wiatrowych oraz sposoby łączenia ich ze środowiskiem miejskim – poprzez zamontowanie, zintegrowanie lub wsparcie konstrukcją budowli. Scharakteryzowano również pokrótce liczne przykłady istniejących konstrukcji wykorzystujących środowisko miejskie do generacji energii wiatru, a także przedstawiono rozwiązania mające największą szansę zdobycia popularności w przyszłości.

Literatura

1. Dilimulati Aierken, Stathopoulos Ted, Paraschivoiu Marius, Wind turbine design for urban applications: A case study if shrouded diffuser casing for turbines, “Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics”, Vol. 175, 2018, p. 179–192.
2. Głuchowska Aleksandra, Energetyka wiatrowa w architekturze, [w:] Maj J., Kwiatkiewicz P., Energetyka wiatrowa w wybranych aspektach, Wojskowa Akademia Techniczna, Poznań 2016.
3. Hasse Matthias, Löfström Erica, Building augmented wind turbine – BAWT. Integrated solutions and technology of small wind turbines, SINTEF Research, Vol. 34, 2015, p. 6–16.
4. www.wsp.com (dostęp: 05.2019).
5. The American Institute of Architects, 2019, www.aiatopten.org (dostęp: 06.2019).
6. Boczar Tomasz, Wykorzystanie energii wiatru, Wydawnictwo PAK, Warszawa 2010.
7. Schmies A., 2012, www.flickr.com (dostęp: 05.2019).
8. www.arch2o.com (dostęp: 05.2019).
9. www.som.com (dostęp: 05.2019).
10. www.architectmagazine.com, 2012 (dostęp: 05.2019).
11. Pushing Green, 2011, Chicago’s Greenway Self-Park is Parking Green, www.youtube.com (dostęp: 05.2019)
12. Cybermyth13, 2010, www.flickr.com (dostęp: 05.2019).
13. www.jacques-ferrier.com, 2005 (dostęp: 05.2019).
14. www.inhabitat.com, 2008 (dostęp: 05.2019).
15. Jantzen Michael, 2019, www.archello.com (dostęp: 05.2019).
16. Oppenheim Architecture, 2019, www.oppenoffice.com (dostęp: 05.2019).
17. www.motorwavegroup.com, 2006 (dostęp: 05.2019).