Turbiny wiatrowe

Co to jest elektrownia wiatrowa?

Elektrownia wiatrowa zwana również turbiną wiatrową to urządzenie, które przetwarza energię wiatru na energię elektryczną. Wiejący wiatr porusza łopaty wirnika, który z kolei wprowadza w ruch generator (prądnicę). W generatorze powstaje prąd elektryczny.
Małe elektrownie wiatrowe (MEW) to urządzenia  o mocy od 1kW  do 50 kW. Turbiny poniżej 1kW określane są jako mikro elektrownie, zaś powyżej 50 kW jako duże elektrownie wiatrowe.
W warunkach przydomowych najpopularniejsze są elektrownie o mocy nominalnej od 3-5 kW.  W gospodarstwach rolnych zwyczajowo wykorzystuje się turbiny o mocy od 5 do 20 kW.
Turbiny wiatrowe dzielą się na dwa typy:  o poziomej osi obrotu typu HAWT  (horizontal axis wind turbine) i   o pionowej osi obrotu typu VAWT  (vertical axis wind turbine). Wśród turbin typu  VAWT wyróżnia się z  kolei  dwa rodzaje konstrukcji: turbiny Savoniusa,  wykorzystujące siłę parcie wiatru i turbiny Darrieusa - wykorzystujące siłę aerodynamiczną powstającą na łopatach wirnika.
Turbiny o poziomej osi obrotu stanowią zdecydowaną większość użytkowanych turbin wiatrowych, zarówno w Polsce jak i na świecie (przeszło 95%). Przewiduje się, iż dzięki postępowi technologicznemu ta proporcja będzie się w przyszłości zmieniać na korzyść turbin VAWT. MEW typu, VAWT, pracują nieco ciszej niż typu HAWT oraz cechuje je niezakłócona praca turbiny przy zmiennym kierunku wiatru, bez konieczności „nastawiania na wiatr”, co nieznacznie podnosi ich sprawność w stosunku do MEW typu HAWT. Jak na razie są one jednak znacznie droższe od turbin klasycznych (co najmniej dwukrotnie), czego nie kompensuje ich niewiele większa efektywność, rzędu 5-10% .
MEW o poziomej osi obrotu składają się z obrotnicy i prądnicy zabudowanych wewnątrz gondoli, steru regulacji kierunkowej, wirnika zwanego też śmigłem (najczęściej złożonego z 3 łopat) oraz sterownika elektronicznego.  MEW umieszczane są na masztach (słupach) o zróżnicowanej wysokości, zależnej od mocy konkretnej turbiny, mieszczących się z reguły w przedziale od 10 do 15 m. Maszty te mogą być osadzone na fundamencie, na stałe związanym z gruntem lub na konstrukcjach wolnostojących. Modele o mniejszej mocy od 1 do 2 kW, mające śmigła o średnicy nie przekraczającej 2,5 m. i cechujące się cichą pracą mogą być również montowane na dachach budynków lub na ich ścianach zewnętrznych pod warunkiem że konstrukcja dachu będzie przystosowana do takiego obciążenia.

Jakie jest zastosowanie MEW?

MEW służą do zasilania w energię indywidualnych zabudowań typu:

• domy jednorodzinne,

• domki letniskowe,

• małe firmy produkcyjne i usługowe,

• gospodarstwa rolne

• niewielkie hotele i pensjonaty

• obiekty użyteczności publicznej.

Turbina  wiatrowa może pełnić funkcję dodatkowego źródła energii, wspomagającego zasilanie budynków podłączonych do sieci elektrycznej lub stanowić samodzielne źródło energii w przypadku obiektów, które nie mają dostępu do sieci elektrycznej. W pierwszym przypadku jest ona z reguły wykorzystywana do dostarczania prądu na wydzielony obwód, zwykle niskonapięciowy (np. obwód oświetleniowy czy obwód ogrzewania podłogowego wspomagającego ogrzewanie domu) lub służy do ogrzewania wody. Jeżeli MEW jest wyposażona w przetwornicę na 230V to można zasilać tyle urządzeń na ile wystarczy energii elektrycznej wytworzonej przez generator i zmagazynowanej w akumulatorach.

Czy MEW powinna być wyposażona w akumulatory?

Moc MEW najczęściej wspomagana jest energią zmagazynowaną w akumulatorach. Z jednej strony akumulator służy jako bufor, który można wykorzystać w razie braku energii bezpośrednio z turbiny  wiatrowej, w czasie kiedy nie ma wiatru. Z drugiej strony jest on doskonałym stabilizatorem napięcia dla urządzeń przetwarzających energię elektryczną. Zastosowanie akumulatorów jest naturalną koniecznością zmagazynowania wytworzonej energii jeżeli nie jesteśmy w stanie zbilansować bieżącej potrzeby zużycia z możliwościami wytwarzania tejże energii przez źródło prądu. Akumulatorów nie stosuje się jeśli turbina służy do ogrzewania wody w zbiorniku. (Nie miałoby to sensu, ponieważ byłyby one stale rozładowane przez grzałkę oporową).
W takiej sytuacji wystarczy kontroler pracy generatora i grzałka stałoprądowa.

Czy postawienie MEW wymaga  pozwolenia na budowę?

Instalacja turbiny na dachu budynku lub na jednej z jego ścian zewnętrznych nie wymaga pozwolenia na budowę (warunek: wysokość turbiny nie może przekroczyć 3m powyżej obrębu dachu). Inwestor powinien jedynie zapewnić kontrolę inspektora budowlanego mającą na celu potwierdzenie wytrzymałości konstrukcji dachu/ściany budynku do przyjęcia dodatkowego obciążenia.

W przypadku umieszczenie turbiny na maszcie wolnostojącym jedyną formalnością jest zgłoszenie budowy masztu do starostwa powiatowego lub do urzędu gminy. Dokumentacja powinna zawierać plan geodezyjny z naniesioną lokalizacją i opisem masztu.

Postawienie masztu na trwale związanego z gruntem wymaga uzyskania pozwolenia na  budowę. Wniosek składa się w starostwie powiatowym lub w urzędzie gminy. Dokumentacja powinna zawierać m.in. plan geodezyjny z naniesioną lokalizacją, opis masztu wraz z rysunkiem technicznym oraz oświadczenie o prawie do dysponowania nieruchomością, na terenie której ma znaleźć się konstrukcja. Niektórzy producenci/dystrybutorzy oferują klientom pomoc w załatwieniu powyższych formalności.

Czy do produkowania energii elektrycznej potrzebne są jakieś koncesje?

Produkcja energii na własne potrzeby nie wymaga koncesji. Jeśli jednak zamierzamy sprzedawać energię wyprodukowaną przez MEW do zakładu energetycznego konieczne jest uzyskanie koncesji na produkcję i sprzedaż energii elektrycznej. Aby ją otrzymać trzeba mieć zarejestrowaną działalność gospodarczą. Sprzedaż energii wymaga również wystąpienia z wnioskiem o warunki przyłączania do sieci i wiąże się z koniecznością ponoszenia opłat za wykorzystywanie dóbr naturalnych.
Po wejściu w życie ustawy o OZE (planowany termin to II półrocze 2014) sprzedaż energii przez właścicieli MEW będzie możliwa bez koncesji a zakłady energetyczne będą miały obowiązek udzielenia zgody na ich przyłączenie do sieci. Obecnie zgoda taka udzielana jest bardzo rzadko.

Gdzie najlepiej  postawić MEW?

MEW należy postawić w miejscu o odpowiednich zasobach energetycznych wiatru. Zasoby te zależą przede wszystkim od:

• Średniej prędkości wiatru na danym terenie. Zainstalowanie turbiny wiatrowej ma ekonomiczny sens jeśli wynosi ona co najmniej 4m/s (15 km/h)
• Szorstkości terenu, czyli jego ukształtowania, rodzaju zabudowy i bliskości drzew. MEW powinna być umieszczona w miejscu gdzie występuje wolny przepływ powietrza, z dala od przeszkód takich jak  góry, pagórki, wysokie budynki i drzewa.
• Stref zawirowań powietrza, czyli miejsc gdzie powietrze zapętla się swobodnie wirując. Lokalizacja turbiny na takim obszarze jest niewskazana, ponieważ zawirowania wpływają niekorzystnie na jej wydajność.

W sumie umiejscowienie  turbiny wiatrowej powinno być każdorazowo dobierane do lokalnych warunków i poprzedzone oceną/badaniem wietrzności w danej okolicy.

Czym należy się kierować przy ocenie zasobów wiatru w planowanej lokalizacji?

Pomocne w tej kwestii są atlasy i mapy wietrzności. Pokazują one jaka jest średnia prędkość wiatru w danym regionie. Z mapy wietrzności Polski sporządzonej przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMIGW) wynika, że ok. 60% obszaru Polski, charakteryzuje się korzystnymi warunkami wiatrowymi z punktu widzenia instalacji MEW, czyli średnią prędkość wiatru na poziomie, co najmniej 4 m/s. W skład tego obszaru wchodzi:

• Wybrzeże Morza Bałtyckiego, w szczególności jego środkowa, najbardziej wysunięta na północ część, od Koszalina po Hel i wyspę Uznam (5-6m/s) •-Suwalszczyzna(4.5–5m/s)
• Prawie cała nizinna część Polski, Mazowsze i środkowa część Wielkopolski (4-5 m/s)
• Beskid Śląski i Żywiecki, Podgórze Dynowskie i Bieszczady (4-4.5 m/s)

Szczegóły obrazuje poniższa mapa:

tlasy i mapy wietrzności  należy jednak traktować jedynie jako materiały pomocnicze. Lokalne uwarunkowania mogą sprawić, że nawet w regionie uważanym za bezwietrzny elektrownia wiatrowa może być opłacalna. Aby je ocenić należy oprzeć się na własnych obserwacjach i doświadczeniach okolicznych mieszkańców lub zamówić  ekspertyzę zasobów wiatru w danej lokalizacji w wyspecjalizowanej firmie prywatnej albo w IMIGW.

W jakiej odległości od domu/zabudowań  należy umiejscowić MEW ?

Elektrownia wiatrowa działa najlepiej  gdy strumień wiatru jest laminarny (niezaburzony). Aby zwiększyć pewność, iż struga wiatru docierająca do MEW będzie miała przepływ bliski idealnemu, odległości turbiny wiatrowej od wszelkich przeszkód terenowych (w tym budynków, drzew itp.) powinny spełniać warunki przedstawione na  poniższym rysunku (w4). Jeśli MEW miałaby stać za przeszkodą (domem, drzewem, lasem), to trzeba pamiętać, że za przeszkodami (patrząc w kierunku wiatru), w strefie oznaczonej na rysunku kolorem szaroniebieskim, strugi powietrza wirują. Aby MEW działała efektywnie, jej wirnik powinien znajdować się poza tą strefa - a sama turbina powinna być umieszczona na bardzo wysoki maszcie albo zainstalowana w znacznej odległości od przeszkody (zwykle w odległość równej około 20 wysokościom przeszkody).
Korzystniej jest umiejscowić MEW przed przeszkodą, bo strefa zawirowań powietrza jest wówczas znacznie mniejsza. Dzięki temu turbina może stać bliżej przeszkody i być zamontowana na znacznie niższym maszcie niż w pierwszym przypadku. Zawirowania nie będą również stanowiły utrudnienia w przypadku zamontowania turbiny na dachu lub ścianie budynku lub na otwartej przestrzeni np. na polu, czy na naturalnym wzniesieniu lub w pobliżu szos czy autostrad.

Lepszej wydajności turbiny sprzyja również umieszczenie jej w pobliżu prześwitu budynków. Zgodnie z zasadą przepływu Bernoulliego, zmniejszenie przepływu (ściśnięcie) wylotu węża ogrodowego powoduje, ze prędkość wody jest większa i struga sięga dalej. Tą samą prawidłowość można odnieść do przepływu strugi wiatru - w prześwitach pomiędzy budynkami wiatr jest silniejszy.
W sumie ekonomiczna opłacalność turbiny zależy od prawidłowego wykorzystania istniejących uwarunkowań terenowych przy założeniu, że średnia prędkość wiatru w wybranej lokalizacji nie jest mniejsza niż 4m/s.

Ile energii elektrycznej wyprodukuje MEW ?

Odpowiednio usytuowana elektrownia wiatrowa może wytworzyć rocznie taką ilość energii elektrycznej, jaka odpowiada 25% iloczynu jej mocy nominalnej oraz liczby godzin w ciągu roku (24 h×365). W tak wyliczonej wielkości uwzględnione są zarówno okresy bezwietrzne, jak i te, kiedy prędkość wiatru jest mniejsza lub większa od tej, przy której elektrownia wiatrowa produkuje moc nominalną. Za przykład może posłużyć MEW o mocy nominalnej 4kW. Szacunek wytworzonej przez nią energii przedstawia się następująco:
4 kW x 24 godziny x 365 dni w roku x 25 % = 8 760 kWh/rocznie

Jak dobrać moc MEW?

Aby odpowiednio dobrać moc MEW należy wyjść od średniego rocznego zapotrzebowania na energię oraz tego czy chcemy jej część odsprzedawać do sieci czy też nie. (Warto wziąć pod uwagę, iż po wejściu w życie ustawy o OZE, będą ku temu sprzyjające warunki). Posłużmy się przykładem. Załóżmy, że zapotrzebowanie domu jednorodzinnego na energię wynosi rocznie 4500 kWh i właściciele chcą ją spożytkować wyłącznie na zaspokojenie własnych potrzeb. Zakładając, że turbina wiatrowa będzie pracować przez 25% dni w roku MEW powinna mieć moc nominalną na poziomie 2kW.
x kW x 24 godziny x 365 dni w roku x 25% = 4 500 kWh
x = 4 500 kWh / (24 h x 365 x 0,25)
x = 2,0 kW

Jak obliczyć korzyści finansowe wynikające z zainstalowania MEW?

Aby oszacować oszczędności na rachunkach za prąd wynikające z zainstalowania MEW trzeba wziąć pod uwagę następujące czynniki:

1. Roczną produkcję energii przez wybraną turbinę wiatrową. Sposób jej obliczania został przedstawiony w odpowiedzi na pytanie 9.
2. Szacunkową cenę energii za 1 kW  w ramach używanej taryfy (z uwzględnieniem opłat dystrybucyjnych). W tym celu wystarczy przeanalizować rachunek za prąd.
3. Prognozowany wzrost cen energii. Można się tu oprzeć na oficjalnych danych Ministerstwa Gospodarki, które przewidują, iż w okresie 2012-2020 ceny energii wzrosną o ok. 20%.

Poniższa tabelka przedstawia szacunek rocznych zysków płynących z zainstalowania małej turbiny wiatrowej o mocy nominalnej 1kW. Turbina taka wyprodukuje ok. 2200 kWh energii w ciągu roku.

Jak obliczyć okres zwrotu inwestycji w małą elektrownię wiatrowej?

Aby oszacować, kiedy zwróci się koszt zakupu MEW, trzeba wziąć pod uwagę cenę urządzenia oraz sumaryczny roczny zysk wynikający z jego instalacji.  Ceny MEW są bardzo zróżnicowane i zależą przede wszystkim od mocy nominalnej  i od producenta (w tym miedzy innymi jakości urządzenia i miejsca produkcji). Jeśli założymy, dla celu ilustracji,  że turbina wiatrowa o mocy nominalnej 1kW kosztuje 7000 zł brutto to inwestycja zwróci się po 5 latach użytkowania. (Patrz tabela w odpowiedzi na pyt. 11). W przypadku gdy ceny energii wzrosną szybciej niż wynika to z oficjalnych prognoz, okres zwrotu inwestycji będzie krótszy

Czy MEW są źródłem hałasu?

Elektrownie wiatrowe - również małe, przydomowe - stanowią źródło hałasu. Zgodnie z przepisami obiekty i urządzenia stanowiące źródła hałasu należy lokalizować tak, by nie naruszały dopuszczalnych poziomów hałasu. Przydomowe MEW z reguły spełniają wymogi wynikające z ochrony przed hałasem już w odległości 20-100 m od budynków mieszkalnych.

Jaka jest trwałość MEW?

Żywotność elektrowni wiatrowych sięga co najmniej 20 lat. Aby  wydłużyć ten czas MEW należy regularnie serwisować i w razie potrzeby dokonywać  wymiany materiałów eksploatacyjnych.

Czy możliwa jest współpraca MEW z ogniwami fotowoltaicznymi?

Tak. Tego rodzaju układ nazywamy jest systemem hybrydowym. Panel fotowoltaiczny  pozwala na uzupełnienie niedoboru energii elektrycznej w dni słoneczne, przy braku wiatru i wykorzystywać dodatkowo wyprodukowaną energię w układzie obwodów elektrycznych. System taki jest bardzo korzystny w polskich warunkach klimatycznych. W miesiącach maj – sierpień wiatr wieje słabo natomiast jest dużo słonecznych dni. Z kolei okres jesienno-zimowym  (od października do lutego) charakteryzują się duża ilością wietrznych dni, a małą dni słonecznych.
Produkcja  prądu z dwóch niezależnych źródeł energii odnawialnej zwiększa  bezpieczeństwo energetyczne domu lub obiektu który korzysta z tej formy zasilania w energię i pozwala na znacząca obniżkę kosztów energii. (Odpowiedni dobór obu typów urządzeń do potrzeb energetycznych może pozwolić na całkowite uniezależnienie się od zasilania z sieci). Moc paneli fotowoltaicznych pracujących w systemach hybrydowych dobierana jest indywidualnie do potrzeb Klienta; możliwa jest dowolna konfiguracja liczby i mocy paneli.
Ogniwa fotowoltaiczne i MEW mogą zasilać tą samą instalację zarówno, jeśli są ściśle połączone jak i gdy są zamontowane oddzielnie. (Patrz przykłady na poniższych fotografiach). Do jednoczesnego zarządzania pracą turbiny wiatrowej oraz paneli wystarczy jeden sterownik elektroniczny (kontroler).

Jaki jest udział  urządzeń domowych w zużyciu energii elektrycznej?

Procentowy udział najpopularniejszych  sprzętów domowych w zużyciu energii ilustruje poniższy diagram .

Źródło: Agencja Rynku Energii

Z powyższych danych wynika, iż niemal 80% zużycia prądu przypada na cztery grupy urządzeń:

• chłodziarko-zamrażarka (28,1%)
• oświetlenie i drobne AGD (20,4%)
• kuchnia elektryczna (19,6%)
• pralka (9,1%)

W Internecie można znaleźć wiele przydatnych porad dotyczących redukcji zużycia energii bez szkody dla jakości życia. Przykładem jest artykuł: Jak oszczędzać energie w domu, który znaleźć można pod następującym linkiem: http://www.totalmoney.pl/artykuly/2693,energia,jak-oszczedzac-energie-w-domu,1,1 test12

źródło: http://www.instalo.com.pl/artykulyinformacyjne