Małe elektrownie wiatrowe z pionową osią obrotu

W Polsce coraz popularniejsze i coraz tańsze stają się małe elektrownie wiatrowe

z pionową osią obrotu. Są to jednostki o mocach poniżej 20 kW.

a)

b)

Rodzaje silników wiatrowych z pionową osią obrotu: a) karuzelowy, b) rotorowy

Charakterystyka małych elektrowni wiatrowych z pionową osią obrotu

Do

najważniejszych

zalet

małej

turbiny

wiatrowej o pionowej osi obrotu można zaliczyć:
prostą budowę, brak układów do nastawienia turbiny
pod wiatr, lepsze wykorzystanie energii wiatru
w terenie zabudowanym, możliwość montowania ich
w terenie otwartym jak również na domach. Cechuje
je stosunkowo wysoka czułość na małe prędkości
wiatru. Turbina o mocy 2.5 kW jest w stanie
wytworzyć rocznie ok. 2500 KWh energii elektrycznej
(o średniej prędkości wiatru 4,5 m/s). Turbiny te
mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie wymagana
jest produkcja małej ilości energii elektrycznej.
Mikroelektrownia wiatrowa może być przenośna
i instalowana w trudno dostępnym terenie, łatwa do
wkomponowania w otoczenie, może posłużyć, jako
element dekoracyjny. Pracę jej cechuje niska emisja
natężenia hałasu. Na ich instalację nie muszą być
wydawane pozwolenia na budowę, dotyczy to jednak
tylko tych turbin, które nie są trwale związane
z gruntem. Turbina ta może współpracować
z baterią: fotoogniw, akumulatorów i falownikiem
napięcia stałego na przemienny.

W zależności od mocy elektrowni wymiary

elementu wirującego turbiny wynoszą: wysokość
0,8-6 m, średnica 0,5-6,5 m. Łopaty wirnika mogą być wykonane z blachy stalowej,
aluminiowej, żywiczne na bazie włókien szklanych.

Średni czas pracy małej elektrowni wiatrowej szacuje się na ok.1800 h/rok.

Sprawność układu turbiny wiatrowej i napędzanej przez nią prądnicy w (MEW)

wynosi ok. 0,25. W Polsce produkcją tych urządzeń zajmuje się jedynie garstka
pasjonatów.

Moc turbiny zależy m.in. od prędkości wiatru w trzeciej potędze, pola powierzchni
skrzydeł.

Rys. Model laboratoryjny MEW.

Zalety turbin o pionowej osi obrotu:

–

stała praca niezależna od kierunku wiatru, nie wymagają mechanizmu
"ustawiania pod wiatr";

–

start przy prędkości wiatru wynoszącej ok.2 m/s

–

pionowa oś obrotu i niewielka średnica umożliwia łatwy montaż, nie jest
konieczne budowanie wysokich masztów w sprzyjających warunkach, na
otwartym terenie wystarczy wysokość ok. 2 - 4 m nad poziom gruntu;

–

możliwość montażu: na gruncie, dachach budynków, słupach, istniejących
konstrukcjach masztów, itp.;

–

cicha praca nawet przy maksymalnej prędkości obrotowej;

–

odporność na bardzo silne podmuchy wiatru nie wymaga zatrzymania nawet
przy wietrze o prędkości 40 m/s, kształt wirnika zapewnia aerodynamiczne
ograniczenie obrotów;

–

odporność w warunkach zimowych na pokrycie szronem czy lepkim śniegiem;

–

bezobsługowa praca zespołu prądotwórczego;

–

możliwa jest konstrukcja przenośna dzięki łatwemu montażowi i demontażowi
w kilka godzin;

–

stabilna praca (brak drgań);

–

możliwa instalacja nawet w strefach zurbanizowanych;

–

znacznie uproszczona konstrukcja gwarantuje długą żywotność urządzenia;

–

nie wymaga dużych połaci terenu, aby uzyskać optymalne parametry pracy;

–

estetyczny wygląd - podczas pracy wrażenie cyklicznej zmiany kształtu, daje
nowe możliwości umieszczenia reklam czy też wykorzystania, jako element
scenografii krajobrazu;

–

mała prędkość obwodowa wirnika i jego kształt zapewniają bezpieczeństwo dla
zwierząt i ptaków;

–

szeroki wachlarz możliwości ich wykorzystania.

Koszt elektrowni o mocy 2-3 kW wynosi ok. 9,5 tys zł

Tabela 1. Dane techniczne turbin wiatrowych z pionową osią obrotu firmy RMS:

Model:

SWV-

200

SWV-

300

SWV-

500

SWV-

1000

SWV-

3000

SWV-

K10

Moc

znamionowa:

200 W

300 W

500 W

1kW

3 kW

10 kW

Napięcie

znamionowe:

12 DC

24 DC

24 DC

24DC

48 DC

110

DC

Stan przy

prędkości

wiatru:

2 m/s

2 m/s

2 m/s

2 m/s

2 m/s

2 m/s

Moc

znamionowa

przy prędkości

wiatru:

10 m/s

10 m/s

10 m/s

12 m/s

12 m/s

12 m/s

Zakres pracy:

4-25

m/s

4-25

m/s

4-25

m/s

4-25

m/s

4-25

m/s

4-25

m/s

Granica

bezpieczeństwa:

40 m/s

40 m/s

40 m/s

50 m/s

50 m/s

50 m/s

Szerokość

turbiny:

138 cm

138 cm

138 cm

180 cm

300 cm

6 m

Wysokość

turbiny:

90 cm

130 cm

220 cm

250 cm

360 cm

6,2 m

Zalecana

wysokość

masztu:

5,5 m

5,5 m

5,5 m

5,5 m

5,5 m

11 m

Waga

(bez masztu):

70 kg

90 kg

130 kg

180 kg

500 kg

1700

kg

Podstawowym

problemem,

który

hamuje

dynamiczny

rozwój

elektrowni

wiatrowych o pionowej osi obrotu jest fakt, że aby mogła być ona wykorzystana do
zasilania w energię elektryczną odbiorców musi współpracować z baterią akumulatorów,
panelem fotowoltaicznym, falownikiem, układami sterowania, co zwiększa koszt
inwestycji.

Bezpośrednie wykorzystanie energii wiatru do ogrzewania.

Systemem hybrydowym można nazwać również współpracę małej elektrowni

wiatrowej z instalacją centralnego ogrzewania w budynku mieszkalnym. Energia
elektryczna wytworzona w elektrowni wiatrowej może zasilić grzałki
elektryczne w zasobniku wody. Energia elektryczna pozyskana głównie w nocy i zimą
z elektrowni wiatrowej może wydatnie przyczynić się do wspomagania centralnego
ogrzewania. Magazynowanie energii cieplnej w zasobniku jest tańszym rozwiązaniem
technicznym niż elektrycznej w baterii akumulatorów. Ten prosty sposób wykorzystania
energii elektrycznej z MEW jest najbardziej efektywny, posiadający największe szanse
rozwoju. MEW niezależnie od prędkości obrotowej zawsze wytwarza energię elektryczną
która w grzałkach zostanie zamieniona w ciepło. Analiza bilansu energetycznego
w zakresie dostarczonej do układu energii elektrycznej (moc MEW 3 kW) i odebranej
energii cieplnej (dom jednorodzinny, zasobnik 300 l, c.o, c.w.u.) wskazuje na zasadność
tego rozwiązania. Układ elektryczny sprowadzał się będzie do połączenia prądnicy
z grzałką.

MEW o pionowej osi obrotu jest prostym rozwiązaniem konstrukcyjnym, może być

produkowana przez małe firmy na terenie całego kraju i montowana: w terenie
otwartym, na budynkach mieszkalnych, gospodarczych, przemysłowych itd.

W dużym uproszczeniu konstrukcję można podzielić na trzy podzespoły:

a)

maszt stalowy o wysokości ok. 6-10 m zamocowany do fundamentu
betonowego śrubami lub konstrukcja stalowa do mocowania na dachu;

b)

prądnica synchroniczna w obudowie stalowej mocowana śrubami do konstrukcji
nośnej. Prądnice produkowane w Polsce, posiadają różne zakresy mocy.
Urządzenia te są stosunkowo tanie (5 kW ok. 3 tys zł.);

c)

wirnik silnika wiatrowego karuzelowego lub rotorowego połączony z prądnicą
sprzęgłem a obudowa skręcona z konstrukcją nośną.

Przyszli producenci MEW z pionową osią obrotu powinni zlecić projekt konstrukcyjny

firmie projektowej, dokonać badania efektywności pracy tego urządzenia w tunelu
aerodynamicznym, np. na Politechnice Krakowskiej, oraz w warunkach rzeczywistych
zapewnić montaż, serwis gwarancyjny i pogwarancyjny. Koszt takiej elektrowni to kilka
tys zł za urządzenie o mocy ok. 3 kW. Czas eksploatacji wynosi kilkanaście lat. W celu
obniżenia kosztów, a tym samym zachęcenia przyszłych odbiorców urządzeń do ich
montażu, rozsądnym jest wykorzystanie energii elektrycznej do ogrzewania c.w.u.,
wspomagania c.o. w budynkach mieszkalnych. Propozycja ta jest sensowna i należy
żywić nadzieję, że znajdą się producenci tych urządzeń, jak również ich odbiorcy. Należy
zdawać sobie sprawę z tego, iż jest to skala mikro, jednak potrzebna, gdyż stworzy nowe
miejsca pracy w Polsce oraz zmniejszy koszty ogrzewania w naszych domach.

Małe elektrownie wiatrowe mają szansę znaleźć swoje miejsce na rozwijającym się

rynku alternatywnej energii. Dzięki prostej budowie, łatwemu montażowi i niewielkim
kosztom, jest szansa, że w przyszłości będą eksploatowane na dużą skalę przez
indywidualnych odbiorców.

Wybrane wyniki badań elektrowni wiatrowej ECO-H-1,5 kW.

Celem badań była analiza pracy prądnicy synchronicznej wykorzystywanej w MEW.

Współpracowała z regulatorem, zespołem rezystorów, układem prostowniczym, baterią
akumulatorów o napięciu 96 V, falownikiem, który na wyjściu posiada napięcie zmienne
230V.

Rys.

Schemat

blokowy

układu

do

badań

elektrowni

wiatrowej

o

mocy

1,5

kW

w laboratorium maszyn elektrycznych w ZSE nr 1 w Krakowie

Siła elektromotoryczna indukowana w maszynie synchronicznej zależy od:

–

parametrów konstrukcyjnych maszyny,

–

strumienia magnetycznego,

–

prędkości obrotowej i wyraża się wzorem:

E = c

⋅

Φ

⋅

n [V]

Rys. Charakterystyka elektrowni wiatrowej o mocy 1,5 kW

Badana maszyna posiada osiem par biegunów zamocowanych na wirniku. Są to

magnesy stałe nanodymowe. Strumień magnetyczny Φ jest, więc wartością stałą. Na
stojanie umieszczono trzy uzwojenia wraz z wyprowadzeniami, w których indukuje się
siła elektromotoryczna E. Oznaczenie c we wzorze charakteryzuje właściwości
konstrukcyjne maszyny, od których zależy kąt nachylenia charakterystyki

E = f (n)

Na podstawie powyższej charakterystyki można stwierdzić, że wartość mierzonego

napięcia na zaciskach prądnicy wzrasta liniowo wraz ze wzrostem prędkości obrotowej
wirnika. Przy prędkości 380 obr/min zmierzona wartość napięcia wyniosła ok. 200 V.

Rys. Wykres napięcia U=f(I) przy obciążeniu

Prędkość synchroniczna prądnicy wynosi n=375 obr/min, częstotliwość f = 50 Hz.

Ze wzoru:

n 

60 · f

p

obr

min



wynika, że liczba par biegunów wynosi:

p 

60 · f

n



60 · 50

375

 8

Częstotliwość indukowanego napięcia wyraża się wzorem:

f 

p · n

60

Hz

Zmienia się w zakresie od 0 do ok. 80 Hz, wraz ze wzrostem obrotów i napięcia.

Zmiana napięcia i częstotliwości wraz ze zmianą obrotów w badanej maszynie
synchronicznej powoduje, że nie może zostać przyłączona bezpośrednio do sieci. Aby
otrzymać napięcie zmienne U=230 [V] o częstotliwości f=50 [Hz], musi ona
współpracować z prostownikiem, baterią akumulatorów i falownikiem. Dopiero urządzenia
te wygenerują napięcie o parametrach U=230 [V], f=50 [Hz]. W obwód elektryczny
badanej elektrowni wiatrowej włączono 3 rezystory połączone w gwiazdę. Zadaniem ich
jest odbierać energię elektryczną z prądnicy i zamieniać ją na ciepło, przy braku
obciążenia zewnętrznego. Energia zostanie odebrana po przekroczeniu nastawionej
wartości napięcia (dla prędkości wiatru ok. 25 m/s). Jest to elektryczny hamulec dla
elektrowni wiatrowych.

Charakterystykę obciążenia wykreślono na podstawie wyników pomiarów prądu

i napięcia na rezystorach regulowanych stanowiących obciążenie prądnicy. Pomiary
wykonano przy: n = 375 obr/min, f = 50 Hz, cosφ = 1. Na podstawie wyników pomiarów
można stwierdzić, że badana prądnica w zakresie pracy od biegu jałowego do obciążenia
znamio-nowego charakteryzuje się stałością napięcia ( w literaturze fachowej ten typ
charakterystyki nazywany jest „ charakterystyką sztywną”). Napięcie znamionowe
prądnicy wynosi U

N

=196 V, prąd znamionowy I

N

=8 A, częstotliwość f=50 Hz.

Temperatura ustalona prądnicy wynosiła ok. 45ºC. W czasie pomiarów na oscyloskopie
obserwowano przebiegi napięć prądnicy oraz na wyjściu z falownika, porównywano je
z przebiegiem napięcia w sieci. Po dokonaniu analizy wyników pomiarów wnioski, jakie
w swych sprawozdaniach zamieścili uczniowie Szopa Marcin i Ochmański Piotr z klasy IVE
w ZSE nr 1 w Krakowie pokrywają się z danymi katalogowymi badanej prądnicy.

Nauczyciel w ZSE nr 1 w Krakowie mgr inż. Ryszard Tytko

Poseł na Sejm RP mgr inż. Adam Gawęda