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 poni\
ej 20 kW.
a) b)
Rodzaje silników wiatrowych z pionową osią obrotu: a) karuzelowy, b) rotorowy
Charakterystyka małych elektrowni wiatrowych z pionową osią obrotu
Do najwa\
niejszych zalet małej turbiny
wiatrowej o pionowej osi obrotu mo\
na zaliczyć:
prostą budowę, brak układów do nastawienia turbiny
pod wiatr, lepsze wykorzystanie energii wiatru
w terenie zabudowanym, mo\
liwość montowania ich
w terenie otwartym jak równie\
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 mo\
e być przenośna
i instalowana w trudno dostępnym terenie, łatwa do
wkomponowania w otoczenie, mo\
e posłu\
yć, jako
element dekoracyjny. Pracę jej cechuje niska emisja
natę\
enia 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 mo\
e współpracować
z baterią: fotoogniw, akumulatorów i falownikiem
napięcia stałego na przemienny.
W zale\
ności od mocy elektrowni wymiary
Rys. Model laboratoryjny MEW.
elementu wirującego turbiny wynoszą: wysokość
0,8-6 m, średnica 0,5-6,5 m. A
opaty wirnika mogą być wykonane z blachy stalowej,
aluminiowej, \
ywiczne 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 zale\
y m.in. od prędkości wiatru w trzeciej potędze, pola powierzchni
skrzydeł.
Zalety turbin o pionowej osi obrotu:
 stała praca niezale\
na od kierunku wiatru, nie wymagają mechanizmu
"ustawiania pod wiatr";
 start przy prędkości wiatru wynoszącej ok.2 m/s
 pionowa oś obrotu i niewielka średnica umo\
liwia łatwy monta\
, nie jest
konieczne budowanie wysokich masztów w sprzyjających warunkach, na
otwartym terenie wystarczy wysokość ok. 2 - 4 m nad poziom gruntu;
 mo\
liwość monta\
u: 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;
 mo\
liwa jest konstrukcja przenośna dzięki łatwemu monta\
owi i demonta\
owi
w kilka godzin;
 stabilna praca (brak drgań);
 mo\
liwa instalacja nawet w strefach zurbanizowanych;
 znacznie uproszczona konstrukcja gwarantuje długą \
ywotność urządzenia;
 nie wymaga du\
ych połaci terenu, aby uzyskać optymalne parametry pracy;
 estetyczny wygląd - podczas pracy wra\
enie cyklicznej zmiany kształtu, daje
nowe mo\
liwości umieszczenia reklam czy te\
wykorzystania, jako element
scenografii krajobrazu;
 mała prędkość obwodowa wirnika i jego kształt zapewniają bezpieczeństwo dla
zwierząt i ptaków;
 szeroki wachlarz mo\
liwości 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:
SWV- SWV- SWV- SWV- SWV- SWV-
Model:
200 300 500 1000 3000 K10
Moc
200 W 300 W 500 W 1kW 3 kW 10 kW
znamionowa:
Napięcie 110
12 DC 24 DC 24 DC 24DC 48 DC
znamionowe: DC
Stan przy
prędkości 2 m/s 2 m/s 2 m/s 2 m/s 2 m/s 2 m/s
wiatru:
Moc
znamionowa
10 m/s 10 m/s 10 m/s 12 m/s 12 m/s 12 m/s
przy prędkości
wiatru:
4-25 4-25 4-25 4-25 4-25 4-25
Zakres pracy:
m/s m/s m/s m/s m/s m/s
Granica
40 m/s 40 m/s 40 m/s 50 m/s 50 m/s 50 m/s
bezpieczeństwa:
Szerokość
138 cm 138 cm 138 cm 180 cm 300 cm 6 m
turbiny:
Wysokość
90 cm 130 cm 220 cm 250 cm 360 cm 6,2 m
turbiny:
Zalecana
wysokość 5,5 m 5,5 m 5,5 m 5,5 m 5,5 m 11 m
masztu:
Waga 1700
70 kg 90 kg 130 kg 180 kg 500 kg
(bez masztu): kg
Podstawowym problemem, który hamuje dynamiczny rozwój elektrowni
wiatrowych o pionowej osi obrotu jest fakt, \
e 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 mo\
na nazwać równie\
współpracę małej elektrowni
wiatrowej z instalacją centralnego ogrzewania w budynku mieszkalnym. Energia
elektryczna wytworzona w elektrowni wiatrowej mo\
e zasilić grzałki
elektryczne w zasobniku wody. Energia elektryczna pozyskana głównie w nocy i zimą
z elektrowni wiatrowej mo\
e wydatnie przyczynić się do wspomagania centralnego
ogrzewania. Magazynowanie energii cieplnej w zasobniku jest tańszym rozwiązaniem
technicznym ni\
elektrycznej w baterii akumulatorów. Ten prosty sposób wykorzystania
energii elektrycznej z MEW jest najbardziej efektywny, posiadający największe szanse
rozwoju. MEW niezale\
nie 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, mo\
e być
produkowana przez małe firmy na terenie całego kraju i montowana: w terenie
otwartym, na budynkach mieszkalnych, gospodarczych, przemysłowych itd.
W du\
ym uproszczeniu konstrukcję mo\
na 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 ró\
ne 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 monta\
, 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
obni\
enia kosztów, a tym samym zachęcenia przyszłych odbiorców urządzeń do ich
monta\
u, rozsądnym jest wykorzystanie energii elektrycznej do ogrzewania c.w.u.,
wspomagania c.o. w budynkach mieszkalnych. Propozycja ta jest sensowna i nale\
y
\
ywić nadzieję, \
e znajdą się producenci tych urządzeń, jak równie\
ich odbiorcy. Nale\
y
zdawać sobie sprawę z tego, i\
jest to skala mikro, jednak potrzebna, gdy\
stworzy nowe
miejsca pracy w Polsce oraz zmniejszy koszty ogrzewania w naszych domach.
Małe elektrownie wiatrowe mają szansę znalez
ć swoje miejsce na rozwijającym się
rynku alternatywnej energii. Dzięki prostej budowie, łatwemu monta\
owi i niewielkim
kosztom, jest szansa, \
e w przyszłości będą eksploatowane na du\
ą 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 zale\
y od:
 parametrów konstrukcyjnych maszyny,
 strumienia magnetycznego,
 prędkości obrotowej i wyra\
a się wzorem:
E = c�"Ś�"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 Ś 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 zale\
y kąt nachylenia charakterystyki
E = f (n)
Na podstawie powy\
szej charakterystyki mo\
na stwierdzić, \
e 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 obcią\
eniu
Prędkość synchroniczna prądnicy wynosi n=375 obr/min, częstotliwość f = 50 Hz.
Ze wzoru:
60 � f obr
n
p min
wynika, \
e liczba par biegunów wynosi:
60 � f 60 � 50
p 8
n 375
Częstotliwość indukowanego napięcia wyra\
a się wzorem:
p � n
f Hz
60
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, \
e nie mo\
e 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
obcią\
enia zewnętrznego. Energia zostanie odebrana po przekroczeniu nastawionej
wartości napięcia (dla prędkości wiatru ok. 25 m/s). Jest to elektryczny hamulec dla
elektrowni wiatrowych.
Charakterystykę obcią\
enia wykreślono na podstawie wyników pomiarów prądu
i napięcia na rezystorach regulowanych stanowiących obcią\
enie prądnicy. Pomiary
wykonano przy: n = 375 obr/min, f = 50 Hz, cosĆ = 1. Na podstawie wyników pomiarów
mo\
na stwierdzić, \
e badana prądnica w zakresie pracy od biegu jałowego do obcią\
enia
znamio-nowego charakteryzuje się stałością napięcia ( w literaturze fachowej ten typ
charakterystyki nazywany jest  charakterystyką sztywną ). Napięcie znamionowe
prądnicy wynosi UN=196 V, prąd znamionowy IN=8 A, częstotliwość f=50 Hz.
Temperatura ustalona prądnicy wynosiła ok. 45�C. 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 in\
. Ryszard Tytko
Poseł na Sejm RP mgr in\
. Adam Gawęda