Bartosz Kotas
Politechnika Wrocławska
Małe elektrownie wiatrowe dla domków jednorodzinnych
Temat małych elektrowni wiatrowych jest obecnie mało rozwinięty i wymaga nowych badań w
celu udoskonalenia konstrukcji. Zjawiska jakie wykorzystuje mała siłownia są identyczne jak te
dzięki, którym działają olbrzymie farmy wiatrowe, dlatego przy ich projektowaniu sugerujemy się
rozwiązaniami zastosowanymi w skali makro. Największym problemem związanym z budową
siłowni wiatrowej są warunki wietrzne, które w każdym obszarze naszego kraju są różne, co
powoduje konieczność przeprowadzania lokalnych pomiarów średnich prędkości wiatru. Dane te
są niezbędne do prawidłowego zaprojektowania i doboru turbiny oraz generatora. Mój projekt
zakłada optymalne dopracowanie małej turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu, która
wykorzystywałaby małe prędkości wiatru (w przedziale 4 – 5 m/s). Obecnie jestem na etapie
wykonania wirnika o średnicy 3m zdolnego napędzić prądnicę o mocy 2 kW. Wytworzona energia
elektryczna ma służyć do wspomagania układu CO lub CWU w domku jednorodzinnym. Projekt
zakłada optymalne rozwiązanie problemu związanego z parametrami prądu na wyjściu z
generatora. Cała konstrukcja uwzględnia również niedogodności, które wiążą się z
zainstalowaniem małej elektrowni zgodnie z prawem budowlanym, dzięki czemu wszystkie
formalności i pozwolenia są ograniczone do minimum. Produktem finalnym mojego projektu
będzie więc mała elektrownia wiatrowa którą może zainstalować każdy kto posiada własny dom i
niewielki fragment wolnego gruntu w pobliżu.
Siłownia wiatrowa wyposażona w generator prądu elektrycznego staje się
alternatywą dla dotychczas dostępnych źródeł energii elektrycznej. Rozpatrzmy tą sytuację
na przykładzie domku jednorodzinnego. Część energii możemy pozyskać właśnie dzięki
przyłączeniu małej elektrowni wiatrowej, przy czym nigdy jej produkcja nie może w
całości pokryć całego zapotrzebowania na energię. Energia pozyskana w ten sposób
najczęściej służy do podgrzewania ciepłej wody użytkowej bądź wspomagania systemu
centralnego ogrzewania. Na co dzień możemy się już spotkać z ofertami małych
elektrowni wiatrowych, które przystosowane są głownie do wytwarzania napięcia niskiego
tj. do 48 V prądu stałego a następnie przetwarzaniu go na napięcie przemienne o
parametrach zgodnych z krajową siecią elektroenergetyczna czyli 230 V 50 Hz. W
opisanym układzie występuje bufor energii w postaci baterii akumulatorów. Przedmiotem
moich badań i niniejszego artykułu jest nieco inne rozwiązanie konwersji energii w małej
siłowni wiatrowej, które zakłada wytwarzania napięcia do 400 V prądu przemiennego. W
układ generatora włączane zostają dwie grzałki o mocach 2 oraz 1 kW, które zamieniają
całą energię elektryczną na energię cieplną. Buforem energii w takim układzie są
izolowane zbiorniki wodne o pojemnościach 300 l dla CWU i ok. 2000 l dla wspomagania
systemu CO. Wspomniany układ można także wzbogacić o instalację solarną co znacznie
poprawi komfort i sprawność systemu w ciepłe i bezwietrzne dni.
Podstawowym czynnikiem niezbędnym do zadziałania każdej elektrowni
wiatrowej jest struga wiatru przemieszczająca się z odpowiednio dużą prędkością. Jest to
czynnik podstawowy i determinujący rodzaj zastosowanego wirnika. Dla warunków
panujących w Polsce najbardziej optymalnym rozwiązaniem jest wirnik trzyłopatowy o
poziomej osi obrotu schematycznie przedstawiony na rysunku 1.
Rysunek 1
Nie jest to jednak reguła, gdyż lokalnie mogą wystąpić warunki umożliwiające
zastosowanie innego rodzaju turbiny. Energia jaką niesie ze sobą wiatr jest związana z
energią kinetyczną czynnika, a wiec w przypadku powietrza zależy od jego gęstości, która
jest ściśle powiązana z temperaturą, wilgotnością oraz ciśnieniem otoczenia. Moc
odbierana przez wirnik jest wprost proporcjonalna do kwadratu jego średnicy oraz rośnie z
trzecią potęgą prędkości wiatru. Chcąc więc uzyskać jak największą moc należy zwiększać
średnicę koła wiatrowego bądź liczyć na wyższe średnioroczne prędkości wiatru. Chcąc
uniknąć wszelkich formalności związanych z budową dużego wiatraka należy kierować się
gabarytami które umożliwiają nam postawienie konstrukcji bez żadnych dodatkowych
zezwoleń. Przede wszystkim konstrukcja nie może być związana z terenem za
pośrednictwem żadnego fundamentu gdyż jego budowa wymaga uzyskania zgody.
Alternatywnym rozwiązaniem są linki odciągowe związane z gruntem za pomocą
specjalnych kotw. Drugim ważnym elementem jest maksymalna wysokość masztu – do 12
m wysokości fakt postawienia masztu należy zgłosić jedynie w urzędzie gminy. Jeżeli
plan zagospodarowania terenu nie ma szczególnych założeń powinniśmy uzyskać zgodę na
postawienie masztu. Wspomniana wysokość 12 m jest to najwyższy punkt konstrukcji jaka
może być wzniesiona bez załatwiania większych formalności, a więc w przypadku
elektrowni wiatrowej będzie to końcówka łopaty wirnika. Przy instalowaniu elektrowni
należy zwrócić uwagę na przeszkody gdyż w znacznym stopniu zaburzają one przepływ
masy powietrza co ilustruje rysunek 1
Rysunek 2
Mając sprecyzowane potrzeby odbiorcy (domku jednorodzinnego) można przyjąć
moc znamionową całej siłowni. Według założonej mocy przeprowadzane zostają
obliczenia geometrii łopat wirnika które wykorzystają w maksymalnym stopniu energię
wiatru. Jak już wspomniałem wcześniej typ turbiny oraz jej współczynnik wykorzystania
mocy zależą tylko i wyłącznie od lokalnych warunków wietrznych. Po zgromadzeniu tych
danych można przyjąć wszystkie założenia projektowe i dobrać odpowiedni rodzaj turbiny.
Wynikiem obliczeń jest wirnik który przy mocy znamionowej osiąga znamionową
prędkość obrotową do której dobierana jest prądnica. W przypadku gdy obroty turbiny są
za małe stosuje się przekładnię zwiększającą obroty
Ważnym elementem siłowni jest system zabezpieczający przed zbyt dużymi
prędkościami wiatru, które mogłyby zniszczyć całą maszynę. W konstrukcjach małych
najlepszym rozwiązaniem okazały się systemy mechanicznego odwracania turbiny
równolegle do kierunku wiatru. Rozwiązanie to jest realizowane poprzez mimośrodowe
umieszczenie wirnika turbiny. Przesunięcie osi obrotu wału turbiny względem głównej osi
obrotu gondoli generuje moment siły który przy zbyt dużych prędkościach wiatru
powoduje „złożenie” steru naprowadzającego turbinę na wiatr. Takie proste i niezawodne
rozwiązanie zabezpiecza siłownię przed uszkodzeniami. Rozwiązanie przedstawia
rysunek2.
Rysunek 3
Instalacja elektryczna jest w omawianym projekcie uproszczona w dużym
stopniu. Prądnica jest chroniona przed przeciążeniem bezpiecznikiem rozłączającym układ
przy zbyt dużym natężeniu prądu elektrycznego. Napięcie jest przekazywane bezpośrednio
do zacisków grzałki bez użycia transformatora. Takie rozwiązanie powoduje, że nawet
najmniejsza ilość wygenerowanej energii zostaje zamieniona na ciepło. Obecnie znajduję
się na etapie montażu opisanego wyżej układu w własnym domu. Siłownia składa się z
turbiny o średnicy 3,8 m wraz z systemem zabezpieczającym przed silnymi podmuchami
wiatru, generatora o mocy 3 kW, przekładni zwiększającej obroty oraz masztu o wysokości
8 m
Podsumowując – możliwości małej elektrowni wiatrowej mogą w znacznym
stopniu zaspokoić zapotrzebowanie na energię – należy jednak pamiętać że nigdy w
całości . Zagadnienie małych siłowni jest ciągle rozwijanym tematem. Trzeba pamiętać że
nie wszędzie będzie istniała możliwość zastosowania takiego układu. Dodatkowo wiatr jest
z natury bardzo kapryśny, bywają miesiące w których panuje całkowita cisza po czym
następują olbrzymie wichury, przy których siłownie ze względów bezpieczeństwa muszą
być wyłączone. Dla danej lokalizacji sporządzono wykres dobowy prędkości wiatru który
dodatkowo obrazuje jak zmienna jest prędkość wiatru w krótkim okresie czasu.
Pomimo wielu niedogodności warto jest zainwestować w własne, odnawialne
źródło energii szczególnie w dobie szalejących cen surowców kopalnych, dlatego każdy
kto posiada własną działkę w pobliżu swojego domu powinien się zastanowić nad
instalacją własnej elektrowni.
Bibliografia
[1].
Jagodziński W., Silniki wiatrowe, PWT Warszawa 1959 Wydanie pierwsze
[2].
Lubośny Z., Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym, WNT Warszawa
2006, Wydanie drugie
[3].
Hau Erich, Windturbines : fundamentals, technologies, application and economics, Springer-Verlag
Berlin Heidelberg 2000