Na co zwrócić uwagę przy wyborze turbiny wiatrowej?

Jak działają i z czego składają się małe elektrownie wiatrowe?

Elektrownie wiatrowe konwertują energię ruchu mas powietrza w energię kinetyczną ruchu obrotowego wirnika, który następnie przekazywany jest do generatora zamieniającego go w energię elektryczną. Taka konwersja wymaga odpowiednio dopasowanych komponentów o znacznej efektywności. Wśród najistotniejszych elementów elektrowni wiatrowej należy wymienić: wirnik, generator, systemy sterujące oraz układ magazynujący energię.

Małe elektrownie wiatrowe stosowane w budownictwie mieszkalnym i w lekkim przemyśle nie przekraczają mocy 50 kW, a ich powierzchnia robocza wirnika jest mniejsza niż 200 m2. Według rekomendacji polskiego prawa graniczną mocą generowaną przez OZE jest 40 kW. Użytkowane w Polsce elektrownie wiatrowe muszą spełniać normy bezpieczeństwa CE, natomiast w przypadku turbin wiatrowych importowanych z krajów UE lub zza oceanu muszą być one opatrzone stosownymi certyfikatami potwierdzającymi ich jakość i wydajność – niemieckim TÜV Rheinland, amerykańskim SWCC lub brytyjskim MCS.

Elektrownie wiatrowe w polskich warunkach

Ze względu na specyfikę polskich warunków klimatycznych małe elektrownie wiatrowe użytkowane na terenie naszego kraju powinny być dopasowane do pracy przy niskich prędkościach wiatru. Wymaga to turbiny o większym wirniku i generatora o zmniejszonej mocy.

Przy dopasowywaniu parametrów inwestycji do planowanej lokalizacji elektrowni wiatrowej należy przeprowadzić dokładną ocenę wietrzności, a także zweryfikować wpływ przeszkód terenowych na swobodne płynięcie mas powietrza. Odpowiednie oszacowanie warunków wiatrowych i dobranie do nich lokalizacji i parametrów turbiny wiatrowej ma kluczowy wpływ na wydajność inwestycji oraz tempo jej zwrotu, ponieważ ilość energii elektrycznej produkowanej przez elektrownię wiatrową zależy od trzeciej potęgi wiatru. Oznacza to, że dwukrotnie silniejszy wiatr zwiększa generowaną przez elektrownię moc aż ośmiokrotnie.

Jeżeli inwestor chce szybko uzyskać pozwolenie na wybudowanie małej elektrowni wiatrowej, zgodnie z ustawą o ochronie przyrody, jej wysokość nie może przekraczać 30 m. Istnieje również możliwość montażu elektrowni wiatrowej bez pozwolenia budowlanego. W takiej sytuacji turbina nie może być umiejscowiona na maszcie posadowionym na stałe w gruncie, a jedynie na lekkim maszcie kratownicowym z linkami odciągowymi. Taka konstrukcja nośna przewidziana jest dla elektrowni wiatrowych o mocy do 5 kW.

Off-Grid a On-Grid – podłączenie do sieci energetycznej

Elektrownie działające w wydzielonej sieci (Off-Grid) to zazwyczaj elektrownie wiatrowe o mocy do 20 kW. Konstrukcje te wykorzystują małe prądnice trójfazowe lub prądnice prądu stałego i charakteryzują się pracą przy zmiennych prędkościach wirnika. Elektrownie te kierują energię elektryczną do baterii akumulatorów lub grzałek elektrycznych z zasobnikiem wody. Zakres napięć elektrowni Off-Grid oscyluje w granicach 12-230 V.

Elektrownie podłączone do sieci energetycznej (On-Grid) muszą produkować energię elektryczną o parametrach elektrycznych tożsamych z parametrami energii elektrycznej w sieci. Najczęściej w elektrowniach On-Grid prędkość obrotowa turbiny pozostaje na tym samym poziomie, choć popularne jest też stosowanie układów pracujących przy zmiennej prędkości obrotowej.

W elektrowniach tego typu wykorzystywane są prądnice asynchroniczne lub rzadziej prądnice synchroniczne. Najefektywniejszymi elektrowniami wiatrowymi On-Grid są konstrukcje oparte na wolnoobrotowym generatorze synchronicznym. Przykładem elektrowni wiatrowej On-Grid jest model BGW WT 3.0-400 firmy Chestermatic.

Rodzaje turbin wiatrowych

Na rynku spotkać można kilka rodzajów turbin wiatrowych. Prawidłowy dobór rodzaju turbiny i jej parametrów pozwoli zmaksymalizować skuteczność wykorzystania energii mas powietrza przy produkcji prądu elektrycznego.

Jedną z najpowszechniej stosowanych turbin wiatrowych jest turbina o poziomej osi obrotu (HAWT – ang. Horizontal Axis Wind Turbine) – np. model S-1000. Charakteryzują się one cichą pracą, estetycznym wyglądem i przyzwoitymi parametrami. Do turbin o poziomej osi obrotu zalicza się turbiny:

• jednopłatowe – rzadko stosowane ze względu na konieczność stosowania przeciwwagi śmigła,

• dwupłatowe – tanie i lekkie, jednak do znamionowej pracy wymagające bardzo silnego wiatru,

• trzypłatowe – najpowszechniejsze konstrukcje zapewniające dobry współczynnik wykorzystania energii wiatru,

• wielopłatowe – według badań najefektywniejsze wiatraki stosowane w elektrowniach wiatrowych,

• turbiny wyposażone w dyfuzor – są to turbiny wykorzystujące paradoks hydrodynamiczny i prawo Bernoulliego,

• turbiny wykorzystujące efekt Magnusa – turbiny, które działają na podstawie powstawania siły prostopadłej działającej na obracający się walec lub inną bryłę obrotową.

Wyróżnia się również mniej popularne turbiny o pionowej osi obrotu (ang. VAWT – Vertical Axis Wind Turbine). Produkowane są one zwykle z wirnikiem Darrieusa, jednak można wymienić także konstrukcje świderkowe, H-Rotor i Savoniusa. Przykładem pionowej turbiny wiatrowej może być model Hipar ECOROTE 1000W.

Turbiny wiatrowe można podzielić także na sposób działania zależnie od kierunku wiatru. Najczęściej stosowanymi są turbiny nawietrzne (up-wind). Takie zorientowanie turbiny pozwala uniknąć wpływu cienia aerodynamicznego wytwarzanego przez wieżę i gondolę. Poza tym turbiny nawietrzne wymagają mechanizmu ustawiania wirnika na wiatr.

Turbiny zawietrzne (down-wind) to konstrukcje, w których wirnik umieszczony jest za masztem. Nie wymagają one mechanizmu dopasowywania położenia wirnika do wiatru.

Parametry turbin wiatrowych

Poniżej znajdziesz podstawowe parametry, na jakie należy zwrócić uwagę przy inwestowaniu w elektrownię wiatrową.

Typ konstrukcji i wysokość masztu

Od rodzaju konstrukcji i wysokości wieży zależy nie tylko efektywność turbiny wiatrowej, ale także koszt inwestycji i konieczność uzyskania zezwolenia na budowę. Według ustawy o ochronie przyrody elektrownia wiatrowa nie powinna być większa niż 30 m. Aby nie było konieczne pozwolenie na budowę, maszt nie może być na stałe posadowiony w gruncie.

Liczba i rodzaj turbin wiatrowych

Standardowo w elektrowniach wiatrowych montowana jest jedna turbina wiatrowa i zwykle jest to konstrukcja nawietrzna trzypłatowa. Taka konstrukcja gwarantuje optymalny stosunek kosztów inwestycji do wydajności turbiny.

Średnica wirnika i położenie jego osi obrotu

W polskich warunkach konieczne jest stosowanie wirników o dużej średnicy. Najczęściej na rynku spotkać można turbiny o poziomej osi obrotu HAWT.

Moc znamionowa turbiny

Jest to najważniejszy parametr, który warunkuje efektywność elektrowni wiatrowej. Im większa moc, tym turbina przy stałej prędkości wiatru będzie w stanie wygenerować o wiele więcej energii elektrycznej. Wraz z mocą turbiny wykładniczo rośnie również koszt inwestycji.

Krzywa mocy

Chcąc dowiedzieć się, ile energii generować będzie turbina przy określonych warunkach wietrzności, warto zwrócić uwagę na krzywą mocy prezentującą efektywność elektrowni przy określonej prędkości wiatru.

Minimalna i optymalna prędkość wiatru; prędkość wyłączenia

Minimalna prędkość wiatru warunkuje prędkość przemieszczania się mas powietrza, przy której turbina rozpoczyna pracę.

Przy optymalnej prędkości wiatru turbina zapewni możliwie najwydajniejszą pracę, a prędkość wyłączenia to prędkość wiatru, przy której turbina wymaga zatrzymania przez wzgląd na zbyt intensywny wiatr mogący uszkodzić elektrownię.

Podsumowanie

Istnieje wiele aspektów, na które należy zwrócić uwagę, dobierając turbinę oraz pozostały osprzęt elektrowni wiatrowej. Przed inwestycją warto skonsultować się z ekspertami, którzy kompleksowo doradzą i zaproponują możliwie najlepsze rozwiązania do warunków lokalizacyjnych oraz preferencji inwestora.