Zbuduj elektrownię wiatrową!

Kluczowym elementem każdej elektrowni wiatrowej jest turbina zamontowana na maszcie zamocowanym w gruncie. Najczęściej składa się ona z wirnika w postaci kilku łopat (zazwyczaj jest to konstrukcja trójpłatowa) osadzonych na wale. Gdy wieje wiatr, wirnik zaburza przepływ strumienia powietrza, przejmując część jego energii, którą następnie przekształca w energię mechaniczną przekazywaną przez obracające się łopaty do generatora, często za pośrednictwem dodatkowej przekładni zwiększającej prędkość obrotową.

Zespół, w skład którego wchodzi wał, przekładnia oraz generator, jest zamknięty w jednej zwartej konstrukcji - tzw. gondoli. Dodatkowo umieszczane są w niej układy hamujące oraz serwomechanizmy, które pozwalają precyzyjnie zmieniać kąt nachylenia łopat wirnika oraz regulować ustawienie samej gondoli i co za tym idzie osi obrotu wirnika. Dzięki temu można zabezpieczyć elektrownię wiatrową przed zbyt silnym wiatrem, który może uszkodzić, a nawet zniszczyć turbinę (moc wiatru zmienia się proporcjonalnie do trzeciej potęgi jego prędkości).

Przy dużych prędkościach łopaty zaczynają się bardzo szybko obracać, co może skutkować nawet ich oderwaniem od korpusu wirnika. Możliwe jest też zniszczenie generatora w związku z nadmiernym wydzielaniem się ciepła. Stosowane zabezpieczenia nie tylko chronią całą konstrukcję przed uszkodzeniem, ale też dostosowują pracę wirnika do panujących warunków atmosferycznych, dzięki czemu można lepiej kontrolować moc wyjściową elektrowni.

KLASYFIKACJA

Ze względu na konstrukcję turbiny elektrownie wiatrowe dzieli się na instalacje z poziomą (Horizontal Axis Wind Turbine - HAWT) oraz pionową (Vertical Axis Wind Turbine - VAWT) osią obrotu. Turbiny VAWT (fot.1.) są rzadziej wykorzystywane, m.in. dlatego, że ze względu na zerowy moment rozruchowy wymagają dodatkowego napędu (silnika elektrycznego lub dodatkowych wirników). Największą popularność w praktyce zyskały turbiny HAWT, zwane turbinami o układzie klasycznym.

W obrębie tej grupy urządzeń stosuje się też podział ze względu na usytuowanie wirnika względem masztu w zależności od kierunku wiatru. Na tej podstawie rozróżnia się turbiny z wirnikiem przed wieżą, tzw. up-wind, oraz rzadziej spotykane turbiny down-wind, w których odnotowuje się większe straty ze względu na cykliczne przysłanianie wirnika masztem. Oprócz podziału ze względu na konstrukcję elektrownie wiatrowe klasyfikuje się też według wartości generowanej mocy.

Komponenty do budowy niewielkiej elektrowni Coraz więcej firm oferuje gotowe zestawy urządzeń do budowy elektrowni wiatrowych. Jedną z nich jest wrocławski Eltron, który niedawno wprowadził do swojej oferty komponenty dla małej, przydomowej elektrowni wiatrowej - mikroturbinę wiatrową Mistral 3K oraz inwerter WTI3 marki Carlo Gavazzi. Mikroturbina zawiera 3-fazowy silnik z magnesem stałym o znamionowej mocy wyjściowej 3kW i maksymalnym napięciu na wyjściu generatora 200V (przy 700 obr./min). Trzyłopatkowa turbina może pracować w zakresie prędkości 0 - 800 obr./min. Prędkość wiatru potrzebna do rozruchu to około 2,5 m/s, natomiast dla prędkości powyżej 13,5 m/s włącza się zabezpieczenie "furl", które obraca ogon turbiny wiatrowej, co powoduje skierowanie śmigła ukośnie do kierunku wiatru i zmniejszenie prędkości obrotów. Do sterowania hamowaniem turbiny wykorzystywany jest też elektromagnetyczny hamulec nadobrotowy. Masa całkowita turbiny to 48,5kg. W komplecie z turbiną stosowany może być inwerter WTI3 o mocy znamionowej 3KW i zakresie napięć roboczych 30-300VAC. Krzywa mocy obrazująca zależność mocy od prędkości wiatru

Wyróżnia się instalacje o mocy poniżej kilkuset watów, które mogą zasilać pojedyncze urządzenia, elektrownie o mocy do 50kW wykorzystywane np. do zasilania gospodarstw domowych oraz o mocy powyżej 100kW, które najczęściej włączane są do sieci energetycznej jako samodzielne jednostki lub ich zespoły, w postaci farm wiatrowych. Małe, przydomowe instalacje zaliczane do drugiej grupy najczęściej mają moc kilku kilowatów (typowo 3-5kW).

Rys. 1. Przykładowe konfiguracje elektrowni wiatrowej pracującej na potrzeby obwodów wydzielonych

Dodatkowo elektrownie wiatrowe dzieli się też na te, które część lub całą wygenerowaną energię elektryczną oddają do publicznej sieci energetycznej lub takie, które pracują w tzw. sieci wydzielonej. W drugim wypadku służą np. do ładowania baterii akumulatorów lub jako źródło zasilania np. ogrzewania podłogowego. W zależności od zastosowania w turbinach wiatrowych instalowane są generatory różnego typu.

GENERATORY

W elektrowniach wiatrowych dostarczających energię do publicznej sieci elektroenergetycznej najczęściej instaluje się generatory asynchroniczne - poza tym zastosowaniem spotykane są one dosyć rzadko. Pracują one ze stałą prędkością obrotową, co w pewnym stopniu ogranicza możliwości wykorzystania energii wiatru. Ich zaletą jest natomiast to, że nie wymagają synchronizacji z siecią energetyczną. Z drugiej jednak strony nie mogą pracować jako niezależne źródło energii w obwodach wydzielonych, ponieważ muszą pobierać prąd wzbudzenia z sieci.

Ponadto jeżeli w turbinie jest używany generator asynchroniczny szybkoobrotowy, niezbędna jest przekładnia, dodatkowo komplikująca konstrukcję gondoli. W przypadku obwodów wydzielonych ze względu na charakter odbiorników parametry generowanego prądu zazwyczaj nie są priorytetem. W takim wypadku gdy elektrownia wiatrowa ma być po prostu dodatkowym, niezależnym źródłem energii, można wykorzystać generator prądu stałego lub generator trójfazowy z magnesami trwałymi.

Generatory tego typu mogą pracować przy zmiennej prędkości obrotowej wirnika, co pozwala w bardziej efektywny sposób spożytkować energię wiatru. Ponadto wprowadzając dodatkowy falownik, można uzyskaną energią zasilić odbiorniki sieciowe. Innym rozwiązaniem jest układ z generatorem prądu przemiennego z falownikiem, na wejściu którego zostaje doprowadzone wcześniej wyprostowane napięcie z generatora. W konstrukcjach obu typów należy uwzględnić też niezbędne układy regulacji napięcia.

PARAMETRY TURBIN

Przy wyborze turbiny należy zwrócić uwagę na kilka zasadniczych parametrów podawanych w kartach katalogowych tych urządzeń. Ważny jest obszar pracy łopatek - im większy, tym lepiej. Po prędkości wiatru jest to drugi najważniejszy czynnik, który determinuje moc wyjściową elektrowni. Oprócz tego istotna jest także sprawność turbiny. Maksymalna teoretyczna sprawność wirnika wynosi 0,6, co oznacza, że w elektrowni wiatrowej można wykorzystać co najwyżej 60% energii kinetycznej wiatru przepływającego przez wirnik.

W praktyce sprawności turbin dostępnych na rynku są znacznie niższe, ponieważ występują różne dodatkowe straty energii w poszczególnych elementach gondoli - np. w przekładniach mechanicznych oraz w związku z pracą samych łopat, w tym na skutek oporu powietrza. W kartach katalogowych turbin wiatrowych prezentowana jest także zazwyczaj tzw. krzywa mocy, która przedstawia zależność mocy, wyrażanej np. w kW od prędkości wiatru np. w m/s. Jest to pewien punkt odniesienia przy wyborze turbiny, jednak specjaliści zalecają, by nie porównywać kilku turbin tylko na podstawie tej krzywej.

Rynek technologii energooszczędnych rozwija się Jak wynika z ostatniego raportu BCC Research "Energy efficient technologies: the global market", który opisywaliśmy niedawno w APA, wartość światowego rynku energooszczędnych technologii wyniosła w 2009 roku 35,6 mld dol., a w 2014 roku osiągnie poziom 68,2 mld dol., co oznacza średni wzrost o 13,9% rocznie. Prognozy te dotyczą sumarycznie rozwiązań przemysłowych i komercyjnych. Z raportu wynika również, że ciągły wzrost na rynku technologii energooszczędnych będzie możliwy dzięki rosnącemu zainteresowaniu rozwiązaniami przyjaznymi środowisku ze strony rządów, firm i indywidualnych użytkowników oraz kolejnym regulacjom prawnym wymuszającym ograniczenie emisji gazów cieplarnianych. Rynek energooszczędnych technologii w latach 2007-2014 (źródło: BCC Research)

Przedstawia ona bowiem chwilową wartość generowanej mocy przy danej prędkości wiatru, a nie energię całkowitą wyrażaną w kWh w odniesieniu do średniej prędkości wiatru na danym terenie, co byłoby dużo bardziej użyteczną informacją. Na podstawie krzywej mocy warto natomiast porównywać, przy jakiej minimalnej prędkości wiatru różne turbiny zaczynają wytwarzać energię, pamiętając jednocześnie, że optymalna minimalna prędkość powinna być zbliżona do wartości średniej rocznej prędkości wiatru na danym terenie.

Natomiast maksymalna moc wyjściowa, którą możemy na krzywej mocy odczytać, jest zazwyczaj uzyskiwana przy dużej prędkości wiatru, rzadko występującej na danym terenie przez dłuższy czas i dlatego trudno się tą wartością sugerować w praktyce. Z krzywej mocy możemy odczytać też inny ważny parametr, jakim jest maksymalna prędkość wiatru, przy której zadziałają układy zabezpieczające turbinę przed silnym wiatrem.

Oprócz konstrukcji dla sprawności całej instalacji ważna jest też wysokość wieży, na której będzie zamocowana turbina - zazwyczaj sprawdza się zasada, że im wyżej, tym silniej wieje wiatr. Na przykład w przypadku małych, przydomowych elektrowni przyjmuje się, że wysokość masztu, na którym zamontowano turbinę, powinna wynosić od 9 do 40 metrów, w zależności od uwarunkowań terenu i wysokości przeszkód na nim występujących (budynki, drzewa, itp.), które mogą utrudniać przechwytywanie energii wiatru.

HAŁAS

Fot. 1. Przykład turbiny 1kW o pionowej osi obrotu produkcji chińskiej firmy Taizhou Hengtai Industrial

Turbiny wiatrowe generują dźwięki będące połączeniem hałasu powstającego w wyniku pokonywania oporu powietrza przez obracające się końcówki łopat wirnika oraz hałasu mechanicznego, którego źródłem jest generator oraz mechaniczne elementy gondoli. W nowoczesnych konstrukcjach wpływ elementów mechanicznych jest skutecznie ograniczany i to, co przede wszystkim można usłyszeć w otoczeniu elektrowni wiatrowych, związane jest z tzw. hałasem aerodynamicznym.

W zależności od konstrukcji turbiny i prędkości wiatru hałas generowany przez obracające się śmigła może mieć różny charakter - np. pulsującego dźwięku, brzęczenia, świstu. Z kolei w otoczeniu turbin typu down-wind usłyszeć można dźwięki przypominające głuche uderzenia. W przypadku dużych farm wiatrowych kwestia hałasu budzi zazwyczaj spore kontrowersje wśród mieszkańców, pomimo faktu, że, jak pokazują badania, jego poziom jest znacznie niższy w porównaniu do innych obiektów przemysłowych.

Okazuje się jednak, że farmy wiatrowe są bardziej słyszalne nie dlatego, że są głośne, ale dlatego, że zazwyczaj są budowane na terenach wiejskich, o małej gęstości zaludnienia, na których nie występują hałasy w tle. Ponadto problemem dla ludzi jest przede wszystkim jednostajność oraz przewlekłość oddziaływania dźwięków, charakterystyczne dla hałasów słyszalnych w otoczeniu elektrowni.

Dopuszczalne poziomy hałasu w zależności od przeznaczenia terenu zawarte są w odpowiednich rozporządzeniach Ministerstwa Środowiska. Decydując się na inwestycję w budowę elektrowni wiatrowej, warto porównać te wartości progowe z informacją o hałasie generowanym przez turbinę podawaną przez producenta.

PODSUMOWANIE

Pod względem opłacalności budowa elektrowni wiatrowej jest uzasadniona tylko tam, gdzie średnia roczna prędkość wiatru przekracza 4 m/s. Jak można przeczytać na stronie internetowej Urzędu Regulacji Energetyki, w Polsce tereny spełniające ten wymóg znajdują się niemal wyłącznie na Wybrzeżu i Suwalszczyźnie. Warto mieć to na uwadze, planując inwestycję w postaci przydomowej elektrowni małej mocy, której wysokość masztu nie przekracza 10 metrów.

W przypadku trzykrotnie wyższych instalacji według URE budowa jest opłacalna na około 60% powierzchni naszego kraju, również głównie na terenach nizinnych, a przede wszystkim nad morzem i na Suwalszczyźnie. W tych rejonach na wysokości 30 metrów średnia prędkość wiatru wynosi około 7,2 m/s.

Monika Jaworowska