Krzywa mocy turbiny a moc nominalna – jak je powiązać?

Ile energii ma wiatr?

Energia którą niesie ze sobą wiatr jest głównie uzależniona od jego prędkości. Co też bezpośrednio wynika z poniższego wzoru. Po stronie technicznej pozostaje aspekty  powierzchni objętej przez obrót łopat turbiny, który  pozwla wykorzystać energię kinetyczną większej liczby cząsteczek wiatru.

Sprawdźmy teraz jak powiązana jest moc wiatru z jego prędkością. Zwróćmy uwagę jak niską moc niesie ze sobą wiatr przy niskich prędkościach wiatru. Jednocześnie kierując wyższą efektywność pracy z stronę wyższych prędkości. 

Niskie prędkości wiatru bywają nawet całkowicie bezużyteczne z perspektywy generacji energii elektrycznej. Jednocześnie często można się spotkać z tym, że wielu producentów turbin reklamuje swoje urządzenia jako startujące przy bardzo niskich prędkościach. Tym samym nasuwa się pytanie czy faktycznie praca turbiny przy bardzo niskiej prędkości wiatru jest efektywna czy w tym momencie mamy do czynienia z czystym zagraniem marketingowym? Zapytaliśmy o to ekspertów z firmy WNES: Marcina Wiśniewskiego i Przemysława Moraczewskiego.

• Przy niskich prędkościach wiatr niesie niską energię, a odbierając generowany w tym momencie prąd, turbina wiatrowa jest hamowana pojawiającym się obciążeniem. Tym samym zostanie na tyle obciążona, że się zatrzyma. Dlatego niskie prędkości startu nie gwarantują generacji energii w tym zakresie - wyjaśnia Marcin Wiśniewski z firmy WNES.

Z drugiej strony jeżeli turbina nie zostanie obciążona to odebrana energia jest bardzo mała, maksymalnie rzędu kilkudziesięciu watów. 

Jednocześnie turbina wiatrowa nie jest w stanie czerpać energii użytecznej z największych wiatrów. Dlatego jej montaż w strefie ekstremalnych prędkości wiatrów jest bezsensowny, gdyż przez większą część czasu nie mogłaby pracować. Turbiny są tak skonstruowane by włączać się przy określonej prędkości wiatru oraz hamować pracę przy wysokich prędkościach. Wynika to z faktu, że bez zahamowania obrotów wirnika konstrukcja zostałaby zniszczona. 

Jakich sprawności można się spodziewać?

W kategorii mikroinstalacji wiatrowych zyski energetyczne będą ograniczone rozmiarami turbiny. Niska wysokość masztu sprawia, że instalacja będzie napędzana wiatrem z niższych pułapów wysokościowych. O jakich więc sprawnościach tych urządzeń można mówić?

• Większe sprawności są charakterystyczne dla turbin o osi poziomej, mogą one uzyskać sprawności rzędu 30-35% - zwraca uwagę Przemysław Malczewski z WNES. 

Sprawdźmy jak kształtują się sprawności w zależności od osi obrotu i zasady działania. 

• Przy bardzo niskich prędkościach wiatru, sprawność turbiny jest niższa niż nominalna wartość podawana przez producenta. Jest to spowodowane koniunkcją dwóch czynników; po pierwsze mała wartość dostępnej mocy wynikająca z niskiej prędkości wiatru, a po drugie pojawia się niższy współczynnik konwersji wynikający z niższej sprawności turbiny - tłumaczy Bogdan Szymański, ekspert Redakcji GLOBENERGIA. 

Jakie są perspektywy by ta sprawność rosła? Czy wygląda to tak jak w branży fotowoltaicznej? Czy można mówić o postępie technologicznym? W przypadku energetyki wiatrowej sprawa wygląda nieco inaczej. W tym miejscu należy wspomnieć o tzw. Limicie Betz’a. 

Postęp technologiczny wciąż może trwać. Naukowcy wciąż mogą udoskonalać geometrię łopat i krok po kroku przybliżać sprawności mikroturbin do gigantów z największych farm wiatrowych. Jednak proces ten nie będzie trwał w nieskończoność. Limit sprawności turbin wiatrowych został wyznaczony drogą teoretyczną już dawno temu i wynosi dokładnie 59,3%. 

Z drugiej jednak strony turbiny wiatrowe już teraz pracują z efektywnością 50%. Tymczasem moduły fotowoltaiczne dostępne dla zwykłego prosumenta nie przekraczają zwykle 25% sprawności. A każdy kolejny uzyskany procent sprawności jest przełomowy dla branży. Na wdrożenie najnowszych technologii do masowej produkcji trzeba czekać latami. Dlatego obecnie w zakresie sprawności to turbiny wiatrowe dominują rynek OZE. 

Krzywa mocy turbiny 

Krzywa mocy to przedstawienie charakterystyki turbiny na wykresie dostępnej mocy od prędkości wiatru. W skrócie: otrzymujemy pogląd jakich mocy należy się spodziewać w określonych warunkach wiatrowych. Jednocześnie zyskujemy dane o prędkości startowej i maksymalnej danej turbiny.  

Analizując przedstawione krzywe mocy można zrozumieć jakich rzędów powinien być wiatr by turbina pracowała efektywnie. Zgodnie z danymi powyżej by zyskać moc 10 kW potrzebny jest wiatr o prędkości 12 m/s. To ponad 40 km/h. Czyli już naprawdę spory wiatr, generujący w niektórych regionach alerty RCB. Z kolei by mówić o 1000 W (1 kW) potrzebna jest prędkość rzędu 5 m/s czyli 18 km/h. To także nie mała prędkość. 

Poniżej prezentujemy jak wygląda krzywa mocy dla różnych wartości mocy nominalnej. 

Warto zauważyć, że początkowa faza pracy znajduje się w okolicach 5 m/s (18 km/h) niezależnie od mocy nominalnej turbiny. Dopiero przy wyższych prędkościach wiatru różnice w uzysku energii są lepiej widoczne. Od około 12 m/s wykres spłaszcza się do postaci prostej - to moment w którym niezależnie od prędkości wiatru generacja pozostanie taka sama. Limit technologiczny sprawia, że turbiny mogą generować energię w zakresie 12 do 15 m/s. Powyżej tej prędkości system jest hamowany i turbina się zatrzymuje. To już zbyt wysokie prędkości wiatru, generujące zbyt duży moment obrotowy prowadzący do zniszczenia niezatrzymanego wirnika. Dlatego też mówiąc o mocy nominalnej turbiny zyskujemy jedynie informacje o kalibrze danej jednostki. Gdyż wiatry ponad 10 m/s (dla których zazwyczaj podawane są moce nominalne) występują bardzo rzadko w ciągu cyklu życia turbiny. 

Źródło: Warsztat OZE