Małe elektrownie wiatrowe

Zdjęcie autora: Redakcja GLOBEnergia

Redakcja GLOBEnergia

Małe elektrownie wiatrowe

W dobie awarii sieci energetycznych małe elektrownie wiatrowe mogą służyć jako dodatkowe źródło energii, które w pewnym stopniu uniezależnia gospodarstwo domowe od sieci lokalnego dystrybutora.

Małe turbiny wiatrowe to urządzenia o mocach wytwórczych poniżej 100 kW. Są to turbiny, które nie pracują dla energetyki zawodowej, a jedynie zaspokajają potrzeby własne właściciela. Stosowane są głównie na potrzeby rolnicze, do oświetlania domów, szklarni, pomieszczeń gospodarczych. Służą nie tylko do ogrzewania mieszkań, ale także do ogrzewania pomieszczeń inwentarskich, stawów rybnych i hodowlanych.

Małe turbiny wiatrowe znalazły zastosowanie w suszarniach i chłodniach, a także w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.  Do ich zalet możemy zaliczyć:

- Małe turbiny wiatrowe mogą pracować już przy wiatrach wiejących z prędkością 2 m/s, co znacznie zwiększa możliwość ich wykorzystania (mogą być eksploatowane na większym obszarze).

- Małe turbiny wiatrowe mogą pracować w najbardziej ekstremalnych warunkach. Wytrzymują bardzo silne wiatry, cyklony, okresowe podmuchy, burze piaskowe, a nawet sztormy. Pracują w szerokim zakresie temperatur od -50oC do +50oC.

 

Szczególnie dobrze spisują się w takich miejscach turbiny o osi pionowej. Firma „Ropatec AG” zainstalowała i przetestowała tego typu rozwiązanie we włoskich Alpach na wysokości 3150 m, gdzie zdarzają się wiatry o prędkości ponad 250 km/h. Innym przykładem są dwie turbiny, każda o mocy 6 kW, zasilające górską restaurację na wysokości 2300 m. Firma szacuje, że turbina o mocy 3 kW dla wiatru o średniej rocznej prędkości 7 m/s może wyprodukować rocznie ok. 4000 kWh energii elektrycznej.

 

Zalety małych turbin wiatrowych

- Koszt wyprodukowanie 1 kWh energii jest niewielki.

- W porównaniu z bardzo skomplikowanymi dużymi turbinami instalacja małych turbin wiatrowych jest stosunkowo łatwa, a koszty inwestycyjne znacznie niższe, co powoduje większą akceptację społeczności lokalnej.

- Małe turbiny wiatrowe mogą stworzyć nowe miejsca pracy na wsi, szczególnie w rejonach o największym bezrobociu.
Znikomy negatywny wpływ na środowisko.

- Małe turbiny wiatrowe, zwłaszcza te o pionowej osi, są estetyczne, łatwe do wkomponowania w otoczenie, a nawet możliwe jest uczynienie z nich elementów dekoracyjnych. Są już dostępne tzw. projekty pięknych, cichych „elementów architektonicznych” z wkomponowanymi turbinami wiatrowymi.

 

Jako przykład może służyć duże centrum handlowe w Finlandii, gdzie zainstalowano dwie turbiny „świderkowe” o sumarycznej mocy 50 kW. Niestety, koszt takich elementów jest dość wysoki. Turbina „świderkowa” o wysokości ok. 1,5 m (wraz z generatorem) zaczyna pracować przy prędkości wiatru 2–3 m/s produkując przy tej prędkości moc ok. 2 W, a przy prędkości 14 m/s – 120 W. Wytrzymuje wiatr o prędkości 60 m/s. Generowana moc jest zatem niewielka, jednak wystarczająca np. do ładowania baterii, zasilania systemów pomiarowych czy sygnalizacyjnych.

Dodatkowym atutem przemawiającym za coraz większą popularnością małych elektrowni wiatrowych jest to, że nie muszą być wydawane na nie pozwolenia. Dotyczy to jednak tylko tych turbin, które  nie są trwale związane z gruntem. Obecnie na rynku dostępnych jest kilka rodzajów małych elektrowni wiatrowych, które możemy podzielić według kilku kryteriów:

- moc

- konstrukcja (pionowa oś obrotu VAWT, pozioma oś obrotu HAWT)

- zastosowany generator (synchroniczny, asynchroniczny)

Wspomniane wcześniej zalety małych elektrowni wiatrowych stwarzają nowe możliwości. O ile duże elektrownie stosowane są podczas budowania dużych parków wiatrowych i wiążą się z poniesieniem znacznych kosztów, a także z wytwarzaniem energii elektrycznej, która bezpośrednio nie trafia do „wytwórcy”, małe elektrownie pozwalają  na wytwarzanie energii elektrycznej  na użytek własny, np. gospodarstwa domowego, przy niewielkich nakładach finansowych.


W jaki sposób podłączyć małą elektrownię wiatrową

Małe elektrownie mogą być podłączone w gospodarstwie domowym na kilka sposobów:

jako sieć autonomiczna. W domu może być wydzielony obwód, najczęściej niskiego napięcia, służący jako obwód oświetleniowy lub do ogrzewania; sieć autonomiczna pracuje niezależnie od instalacji zasilanych z KSE.

jako wydzielona instalacja. Cała instalacja domowa oraz wszystkie odbiorniki zasilane są z energii pochodzącej z wiatru. Jedynie podczas niedostatecznej produkcji energii z elektrowni wiatrowej braki uzupełniane są z sieci.

 

Schemat podłączenia do sieci małej elektrowni wiatrowej
Dobór elektrowni wiatrowej na potrzeby gospodarstwa domowego / produkcyjnego
Aby możliwe było zaspokojenie potrzeb energetycznych domu jednorodzinnego lub gospodarstw rolnych, należy dobrać moc elektrowni wiatrowej w zależności od zużycia energii elektrycznej. Zapotrzebowanie na energię dla pojedynczego gospodarstwa domowego zostało określone na podstawie średniego, rocznego zużycia energii:
- energia elektryczna do oświetlenia i zasilania innych odbiorników mających zastosowanie w gospodarstwie domowym (głównie urządzenia AGD)
- średnioroczne zużycie energii elektrycznej – 5000 kWh/a

Dobór odpowiedniego urządzenia
- zapotrzebowanie na energię elektryczną = 5 000 kWh
- założono, że sprawność elektrowni wiatrowej będzie kształtować się na poziomie ok. 20%
- liczba godzin w roku wynosi 24 dni * 365 dni = 8760 godzin
- x – moc urządzenia (...)
Aby wyprodukować zakładaną ilość energii elektrycznej (5000 kW), turbina wiatrowa, która będzie pracować z mocą nominalną przez 20% dni w ciągu całego roku, powinna mieć moc na poziomie 2,85 kW.


Analiza efektywności małej przydomowej elektrowni wiatrowej

Elektrownie wiatrowe można podzielić na te dające prąd do sieci państwowej i te, których energia służy do zaspokajania potrzeb własnych posiadacza. Właściciele szklarni, pieczarkarni, przetwórni spożywczych i innych małych przedsięwzięć, w których nie musi być ustabilizowanego napięcia, natomiast potrzeba dużo ciepła, wykorzystując energię wiatru, znacznie obniżają koszty produkcji. Zyski łatwo wyliczyć. Na tym polega sens posiadania małej, prywatnej elektrowni wiatrowej. Koszt wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych jest niekiedy szacowany jako mało konkurencyjny wobec tradycyjnych źródeł. W rachunku tym pomijany jest niezbyt rzetelnie uwzględniany rachunek kosztów, które pojawiają się także przy zastępowaniu energetyki konwencjonalnej. Biorąc pod uwagę koszty związane z zanieczyszczeniem środowiska naturalnego, uzasadniona jest eksploatacja turbiny wiatrowej, która nie będzie podłączona do krajowej sieci energetycznej. Jej zadaniem natomiast będzie produkcja energii elektrycznej lub ciepła wykorzystywanego do ogrzania wody użytkowej.

Przykład malej elektrowni wiatrowej Turbina wiatrowa o osi pionowej typu SG jest to modyfikacją turbiny Savoniusa. Dzięki zastosowaniu specjalnego kształtu przy wietrze wiejącym z prędkością 1,5–4 m/s wykazuje większą sprawność, nawet do 40% od turbiny o podobnej powierzchni zataczania. Do zalet takiej konstrukcji należy zaliczyć jednakową pracę niezależnie od kierunku wiejącego wiatru. Dzięki niewielkim rozmiarom można ją łatwo zamontować. Nie wymaga masztów i wysokich wież, pracuje już na wysokości 2m. Jest bardzo cicha i odporna na silny, porywisty wiatr. Dzięki małej prędkości obwodowej jest bardzo bezpieczna dla ludzi i zwierząt. Innym przykładem elektrowni wiatrowej może być konstrukcja o poziomej osi obrotu – elektrownia wiatrowa Zefir 6A. Turbina ta jest wyposażona w generator asynchroniczny o mocy 5 kW z przekładnią dwubiegową z nastawnym kątem łopat wirnika. Wieża ma wysokość 12 m. Prąd wytworzony przez tę elektrownię jest w stanie zaspokoić potrzeby przeciętnego gospodarstwa domowego. Wnioski Z zaprezentowanej analizy wynika, że zastosowanie energii wiatrowej do pozyskiwania energii elektrycznej jest inwestycją, która jest ekonomicznie uzasadniona. Okres zwrotu jest uzależniony przede wszystkim od cen energii elektrycznej. Wszystko wskazuje na to, że cena prądu pochodzącego z konwencjonalnych źródeł będzie z roku na rok coraz droższa. Również tegoroczna zima pokazała ze uzależnienie od lokalnego dostawcy energii przy obecnym stanie sieci elektrycznej w Polsce może oznaczać wielodniowy brak prądu. Alternatywą może być zatem zastosowanie małych elektrowni wiatrowych, które dzięki swojemu działaniu mogą zapewnić uniezależnienie się odbiorcy od dostaw prądu z sieci.

Maciej Duraczyński, GLOBEnergia


Cały artykuł - GLOBEnergia 2/2010
2010 04