Ta praca wnosi istotny wkład w rozwój badań dotyczących energetyki wiatrowej. W swojej rozprawie doktorskiej mgr Katarzyna Wolniewicz skupiła się na analizie dwóch parametrów przesądzających o lokalizacji przyszłych farm wiatrowych.

Chodzi o zachowanie dopuszczalnego poziomu hałasu oraz osiągnięcie największej wydajności energetycznej. Rezultaty pracy mogą być dla przyszłych inwestorów wskazówką dotyczącą lokalizacji siłowni wiatrowych i doboru najwłaściwszych urządzeń.

Obrona pracy odbyła się we wtorek (9 maja 2023 r). na Wydziale Inżynierii Lądowej, Środowiska i Geodezji przed komisją doktorską dyscypliny Inżynieria lądowa, geodezja i transport. Komisji przewodniczył dziekan Wydziału Inżynierii Lądowej, Środowiska i Geodezji, prof. dr hab. inż. Robert Sidełko.

Doktorantka jest absolwentką Politechniki Koszalińskiej (ukończyła studia magisterskie na kierunku Zarządzanie i studia inżynierskie na kierunku Energetyka). Była słuchaczką studiów doktoranckich na kierunku Budowa i Eksploatacja Maszyn. Jest pracownikiem badawczo-dydaktycznym Wydziału Inżynierii Lądowej, Środowiska i Geodezji. Na dorobek naukowy doktorantki składa się 16 publikacji krajowych i zagranicznych.

Tytuł przygotowanej przez nią dysertacji brzmi „Energetyczne i akustyczne uwarunkowania lokalizacji farm wiatrowych”. Rozprawa jest pracą badawczą przygotowaną w oparciu o cykl czterech publikacji naukowych. Promotorem rozprawy jest dr hab. inż. Mirosław Wesołowski, profesor w Katedrze Mechaniki Budowli, Wydziału Inżynierii Lądowej, Środowiska i Geodezji PK, promotorem pomocniczym zaś dr inż. Adam Zagubień, adiunkt w Katedrze Mechaniki Budowli, Wydziału Inżynierii Lądowej, Środowiska i Geodezji PK.

W swoich badaniach mgr Katarzyna Wolniewicz skoncentrowała się na analizie zagadnień determinujących lokalizację farm wiatrowych. Autorka podkreśla, że w sytuacji rosnących potrzeb energetycznych typowanie i przekształcanie terenów pod elektrownie wiatrowe ma niebagatelne znaczenie. Już dziś energetyka wiatrowa na lądzie stanowi dynamicznie rozwijający się sektor energetyki odnawialnej i ma predyspozycje do tego, by stać się odpowiedzią zarówno na kryzys klimatyczny jak i gospodarczy. Rozwój tego rodzaju energetyki wiąże się z potrzebą dogłębnego analizowania problematyki dotyczącej wprowadzanych zmian w otaczającej przestrzeni i wiążącej się z tym potrzeby zachowania dopuszczalnego poziomu hałasu w środowisku.

Doktorantka wskazała, że kryterium decydującym o wyborze lokalizacji elektrowni wiatrowej, oprócz topografii terenu oraz istniejącej zabudowy, są warunki wietrzności, ale też odległość do zabudowy chronionej akustycznie (dopuszczalny poziom hałasu).

Chcąc określić te zależności, autorka przeprowadziła szereg analiz dotyczących wydajności poszczególnych rodzajów turbin i ich uciążliwości dla środowiska (pomiary akustyczne). Badania przeprowadziła w pobliżu turbin wiatrowych, a także w pobliżu odbiorników energii. W końcowym etapie wykonała analizy energetyczne. Do analiz wybrała kilka turbin o podobnej mocy akustycznej. Zasugerowała przy tym, że odpowiedni dobór turbiny wiatrowej – przy równoczesnym uwzględnieniu analizy środowiskowej i energetycznej – pozwoli osiągnąć maksymalny wynik ekonomiczny inwestycji. Uznała, że kluczowym parametrem przy doborze turbin (z punktu widzenia generowanej przez nie mocy) jest krzywa mocy, która przedstawia zależność generowanej mocy od prędkości wiatru.

Okazało się że – przy zachowaniu norm akustycznych - najmniej wydajne w badanych lokalizacjach były turbiny o mocy nominalnej 2,3-2,5 MW. Najwydajniejsze energetycznie - ze względu na rozkład godzinowy poszczególnych prędkości wiatru - okazały się natomiast turbiny o mocy 2 MW.

W przeprowadzonych badaniach doktorantka wykazała, że odpowiedni dobór urządzeń do planowanej lokalizacji farmy wiatrowej pozwala uzyskać najkorzystniejszy efekt ekonomiczny (oczywiście przy spełnieniu warunków ekologicznych). Podkreśliła też znaczenie optymalnego zlokalizowania samej turbiny na farmie wiatrowej.

Autorka wskazała, że uzyskanie celu akustycznego (zachowanie dopuszczalnego poziomu hałasu) wymaga jednak często redukcji mocy 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. Ale jest z tego wyjście. W niektórych typach turbin mogą być stosowane nakładki montowane na łopaty wirnika, które nie powodują ograniczenia produktywności, a o kilka decybeli zmniejszają moc akustyczną urządzenia.

Powyższe rozwiązania potwierdzają, że jest możliwe przekształcenie terenu pod elektrownie wiatrowe z ograniczeniem emisji akustycznej turbin bez straty wydajności energetycznej farmy wiatrowej. To jedna z głównych konkluzji przygotowanej rozprawy.

Wagę podjętych przez doktorantkę zagadnień podkreślili recenzenci rozprawy. Byli nimi prof. dr hab. inż. Jerzy Małachowski z Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie, dr hab. inż. Jacek Katzer, prof. ucz. z Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie i dr hab. inż. Krzysztof Cichocki, prof. ucz. z Akademii Nauk Stosowanych w Pile. Recenzenci wskazali na aplikacyjne walory dysertacji (zdobyte podczas badań doświadczenie może być wykorzystane przy projektowaniu i wznoszeniu nowych farm wiatrowych).

Doktorantka odpowiedziała na pytania osób uczestniczących w dyskusji (pytania dotyczyły ograniczeń w lokalizacji farm wiatrowych, ale też korzyści wynikających z zastosowania różnej konstrukcji wież do montowania turbin – wież kratowych i wież o konstrukcji rurowej).

Podczas wtorkowej publicznej obrony rozprawę zaaprobowała komisja doktorska. Ostateczna decyzja dotycząca nadania stopnia doktora zostanie podjęta podczas posiedzenia Senatu Politechniki Koszalińskiej.

Zdjęcia: Adam Paczkowski/Politechnika Koszalińska