Czy warto inwestować w małe przydomowe elektrownie wiatrowe? (cz.1/2)

O ile elektrownie wiatrowe dużej mocy mają wśród naukowców i znacznej części społeczeństwa negatywną opinię, to małe przydomowe elektrownie wiatrowe cieszą się odmiennym zdaniem.

Dużym elektrowniom wiatrowym 3 listopada br. poświęciłem artykuł tutaj: http://niepoprawni.pl/blog/6583/ach-te…-wiatraki-szkodza-czy-nie-szkodza-stawiac-je-czy-nie-stawiac . Czas więc zająć się mniejszymi elektrowniami wiatrowymi, które nie mają niekorzystnego wpływu na zdrowie człowieka i degradację środowiska. Nie emitują też infradźwięków. Korzystanie z nich ma tę zaletę, że uniezależnia jej użytkownika od monopolisty dostarczającego energię elektryczną, co ma przełożenie na oszczędności w portfelu tegoż użytkownika.

Temat niniejszego opracowania nie jest dla mnie nowy, jako że od 3,5 roku korzystam z takiej małej elektrowni wiatrowej według mojego projektu. Zabezpiecza ona potrzeby energetyczne mojej posesji. Przecież nie może być tak, aby… szewc chodził bez butów. Zatem wiem, o czym piszę, bo nie tyko podchodzę do tematu od strony teoretycznej, ale także… praktycznej.
Tyle tytułem wstępu i nie tracąc czasu, przechodzę do meritum sprawy.

Małe elektrownie wiatrowe znajdują szerokie zastosowanie do zasilania samodzielnych systemów telekomunikacyjnych i nawigacyjnych, gospodarstw oraz domów letniskowych, niewielkich osad ludzkich, pompowni i stacji odsalania wody morskiej, nawadniania, oświetlenia wolnostojących obiektów oraz wielu innych systemów odległych od sieci energetycznej. Małe elektrownie wiatrowe często współpracują w systemach hybrydowych z modułami fotowoltaicznymi lub generatorami dieslowskimi (spalinowymi). Coraz powszechniejszym powodem zainteresowania małymi elektrowniami wiatrowymi są niebagatelne koszty podłączenia do sieci zakładu energetycznego oraz rosnące koszty energii wykorzystywanej w naszych gospodarstwach domowych. Niejednokrotnie zakup małej elektrowni wiatrowej zaspokajającej potrzeby małego domu jednorodzinnego jest tańszy niż podłączenie do sieci elektroenergetycznej.
W Polsce jest wiele firm, które zajmują się dystrybucją małych elektrowni wiatrowych. Szkoda tylko, że są to firmy handlowe, a nie produkcyjne. Taki stan rzeczy możemy zawdzięczać między innymi Leszkowi Balcerowiczowi i jego mocodawcom (Bronisław Geremek, Jeffrey Sachs, George Soros i wielu innych), którzy na początku lat 90. minionego stulecia tak schładzali polską gospodarkę, że dzisiaj nie pozostał z niej… „kamień na kamieniu”.

Energia elektryczna pozyskiwana z energii wiatru w małych elektrowniach wiatrowych nie jest droga. Koszt budowy i obsługi elektrowni atomowej łącznie z jej ostatecznym zamknięciem (zneutralizowaniem skutków wykorzystywania materiałów rozszczepialnych) jest w sumie nieporównywalnie większy, niż suma kosztów poniesionych na budowę i eksploatację równoważnej mocy wytworzonej przez małe elektrownie wiatrowe.
Do jednych z bardziej popularnych należy elektrownia typu M300, wytwarzająca prąd stały o mocy 300 W (watów) i napięciu znamionowym 12 V (woltów). Ma niezwykle małe gabaryty (średnica śmigła równa jest 99 cm, a długość gondoli nie przekracza 55 cm). Przeznaczona jest głównie do zastosowań mobilnych. Może być montowana na łodzi, jachcie, wozie kempingowym czy małym domku kampingowym. Może także zasilać oświetlenie reklamy, sygnalizacji świetlnej lub nadajniki telekomunikacyjne. Elektrownia ta jest wyposażona w kontroler ładowania akumulatorów 12V. Elektrownia ta startuje już przy wietrze o prędkości 2m/s. Przy prędkości wiatru 5 m/s generator uzyskuje 25 W mocy, przy 9 m/s już 90 W, zaś maksymalna moc rzędu 300 W jest generowana przy prędkości wiatru wynoszącej 30 m/s.
Zapewne teraz zapytacie, czy moc 300 watów to dużo czy mało? Czy taka mała elektrownia wiatrowa nadaje się do zasilania odbiorników na przykład w domku kampingowym? Odpowiedź uzależniona jest od tego, jakie w Waszym domku posiadacie odbiorniki i jakim napięciem są one zasilane (12V DC czy 230V AC). Więc na to pytanie musicie odpowiedzieć sobie sami. Zatem przed podjęciem decyzji o wyborze elektrowni wiatrowej powinniście się zastanowić nad sposobem wykorzystania wytworzonej energii. Chciałbym, abyście wiedzieli o tym, iż najbardziej efektywnym odbiornikiem i jednocześnie akumulatorem energii jest… woda. Dlatego pierwszym zastosowaniem, jakie nasuwa się w takiej sytuacji jest ogrzewanie wody bieżącej czy też zasilanie małej instalacji centralnego ogrzewania. W ten sposób będziecie w stanie wykorzystać 100% energii, jaką wytworzy wiatrak, praktycznie prawie bez strat. Muszę tutaj jednak dodać, że jakiekolwiek przetwarzanie energii elektrycznej o napięciu 12 V w celu uzyskania 230 V (z zastosowaniem przetwornic) oraz magazynowanie w źródłach pośrednich, – jakimi są akumulatory – powoduje straty, czyli maleje stosunek mocy wykorzystanej do mocy wygenerowanej przez elektrownię. Można także dostosować zestawienie odbiorników tak, aby pracowały na napięciu znamionowym równym 12 V prądu stałego (zamiast 230 V prądu zmiennego). Niezależnie od tego, cały układ energetyczny musi posiadać zestaw akumulatorów (np. z elektrolitem zasadowym, np. litowym lub kwasowym).

Wybierając moc generatora, trzeba oprócz przewidywanego poboru mocy przez odbiorniki wziąć pod uwagę także czas ich pracy oraz założyć zapas magazynowanej mocy na okresy bezwietrzne. W naszej strefie klimatycznej przyjmuje się, że elektrownia w długim okresie (np. roku) jest w stanie wytworzyć średnio 20-25% mocy jaką posiada generator. Podam przykład. Elektrownia z generatorem 1kW (1 kilowat = 1000 watów) w czasie 1 doby wytwarza średnio np. 20% ٠ 1kW ٠ 24 h = 4,8 kWh. Zatem 10 żarówek o mocy 100 watów pracujących przez 6h/dobę zużyją: 10szt ٠ 0,1 kW ٠ 6 h = 6 kWh. Zabraknie więc około 1,2 kWh. Zostanie to skompensowane przez akumulatory, o ile będzie w nich zgromadzona energia. I tu uwaga: ze względu na okresy bezwietrzne należy przewidzieć czas, w którym elektrownia będzie pracowała tylko na potrzeby zgromadzenia energii w akumulatorach. Im będzie większa pojemność akumulatorów, tym układ jest bardziej odporny na okresy bezwietrzne.

Wytworzona przez elektrownię moc zależy nie tylko od typu generatora, ale także od położenia geograficznego. W Polsce w zależności od obszaru, jest ponad 250 dni wietrznych w roku. Szczegółowo strefy przeciętnej siły wiatru na danym obszarze są uwidocznione na mapach, ale ze względu na ograniczone możliwości techniczne, ich tu nie zamieszam. Ograniczę się tylko do małego opisu. Otóż lokalizacja wybitnie korzystna, to 50-kilometrowy pas nadmorski od Świnoujścia po Zatokę Gdańską oraz Suwalszczyzna. Do obszaru, na którym istnieją korzystne warunki, można zaliczyć obszar o szerokości około 300-400 kilometrów "po przekątnej" Polski, począwszy od Szczecina, a skończywszy na Bieszczadach. Także odnotowano sprzyjające warunki w Tatrach. Niekorzystne warunki panują na obszarze Mazur (wyłączając okolice dużych jezior i ich powierzchni) w kierunku Puszczy Białowieskiej oraz południe Polski w obszarze Sudetów, Górnego i Dolnego Śląska, aż po Rzeszowszczyznę.
Drugim, jakże bardzo ważnym czynnikiem jest ukształtowanie terenu i występowanie okolicznych przeszkód. Im teren jest bardziej urozmaicony lub w pobliżu elektrowni znajdują się inne przeszkody dla wiatru, tym gorsza będzie wydajność wiatraka. Skuteczność pracy elektrowni jest lepsza, gdy wiatr jest równy, bez silnych i krótkotrwałych porywów. Dlatego czasem może wydawać się, że w jakimś kotle lub przesmyku mocno wieje ale pracująca tam elektrownia nie uzyska spodziewanych efektów.
Trzecim znaczącym czynnikiem jest wysokość masztu. Badania wykazały, że podwyższenie masztu o kilka metrów może przynieść wzrost wydajności elektrowni nawet o 30%. Dlatego też największe, najbardziej ekonomiczne elektrownie posiadają maszty o wysokości dochodzącej do 160 metrów. Ale dla małych przydomowych elektrowni wiatrowych wysokość masztu wystarcza od 8 do 20 metrów (w zależności od siły wiatru w danym obszarze).
Jako czwarty warunek należy uznać pory roku. Powszechnie wiadomo, że podobnie jak z opadami, w ciągu roku, są okresy, kiedy wiatry wieją silniej i te, kiedy wieją słabiej. W naszym położeniu geograficznym jest to prąd zatokowy, który dociera do nas znad oceanu Atlantyckiego. Trzeba zauważyć, że w miesiącach letnich, a więc w czerwcu, lipcu i sierpniu, kiedy to najczęściej korzystamy na przykład z domu kampingowego, – siła wiatru w porównaniu do tego w miesiącach zimowych jest mniejsza nawet o 50-70%. Ale w przypadku zasilania odbiorników w domku jednorodzinnym jest to korzystne, albowiem to w miesiącach zimowych dzień jest krótszy niż w lecie i zużywamy więcej energii na oświetlenie.
Nie bez znaczenia dla siły wiatru jest też pora dnia. Właśnie ten czynnik należy potraktować jako kolejny już – piąty warunek. Okazuje się, że najbardziej wietrznym w ciągu dnia (5-6 m/s) jest okres pomiędzy godziną 9:00 a 15:00. Powszechnie przyjmuje się, że dla elektrowni o mocy do 2 kW, ze względu na ciężar gondoli, można stosować maszty z odciągami linowymi. Maszt mocowany jest na stalowym, obrotowym sworzniu, umocowanym na sztywno w ziemi. Odciągi rozpięte są pod kątem około 60° i usztywniają maszt w pionie. Wadą takiego rozwiązania jest hałas generowany przez wiatr świszczący między linami, popularnie przez żeglarzy zwany muzyką (wiatr gra na wantach). Z uwagi na zmienne warunki atmosferyczne (zróżnicowane temperatury) oraz wyciąganie elementów elastycznych i najczęściej słabe zamocowanie w gruncie, liny trzeba regulować przynajmniej dwa razy do roku (zaleca się wykonywać regulacje wiosną i jesienią). W przypadku większych konstrukcji, poza oczywiście większą średnicą samego masztu, można zastosować rozwiązanie z wieloma odciągami. Takie rozwiązanie pozwala często ominąć najbardziej nieżyciowe przepisy prawa budowlanego. Nie zaleca się takich rozwiązań dla generatorów ponad 3 kW z uwagi na wagę gondoli ze skrzydłami. Problematyczne jest takie napięcie wszystkich lin, aby maszt stał niemal idealnie w pionie i wszystkie liny były naciągnięte z taką samą siłą. Takie prace musi wykonywać specjalista wyposażony w specjalny dynamometr, mierzący siłę naciągu. Dla większych mocy ze względu na konieczność stosowania wyższych wież, lepszym rozwiązaniem są maszty wolnostojące, w postaci kratownicy lub pełnego słupa. Ale ze względu na wszelkie koszty (materiał, transport, montaż, konserwacje) dla celów małych elektrowni wiatrowych korzystniej jest stosować wieże kratownicowe. Poza tym, że są lżejsze i mają jeszcze jedną zaletę: z dużej odległości są niewidoczne, z uwagi na ażurowość konstrukcji. Dzięki temu nie zakłócają tak harmonii naturalnego krajobrazu jak konstrukcje słupowe. Pierwotnie konstrukcje profesjonalnych wiatraków – podobnie jak słupy energetyczne – były właśnie oparte na kratownicy. Takie rozwiązanie jest do dzisiaj stosowne jako najprostsze w budowie i konserwacji. Stawianie i demontowanie konstrukcji odbywa się podobnie jak w przypadku wieży linkowej. Sworznie obrotowe znajdują się na dwóch „stopach” kratownicy. Kratownicę unosi się za pomocą wolnego odciągu asekurując z drugiej strony liną. Obrót następuje wokół osi sworzni. Po postawieniu na fundamencie pozostałe stopy mocuje się do podłoża trwale. Kratownicę można też zmontować na miejscu poprzez skręcanie ze sobą kolejnych segmentów konstrukcji. Uwaga: kratownica może mieć tylko 3 stopy chociaż często wygodniejsze jest rozwiązanie na planie kwadratu, ale wówczas elementy wieży muszą być wykonane z większą dokładnością wymiarową. Kratownica jest rozwiązaniem bardzo sztywnym i lekkim. Umożliwia budowanie wysokich wież masztowych. Wadą jest konieczność zmontowania całej kratownicy na miejscu i stosunkowo mniejsza żywotność w stosunku do masztów słupowych. Działające w okresie pracy generatora siły dynamiczne ograniczają trwałość takich konstrukcji do około 20 lat. Powyżej tego okresu zwykle demontuje się elektrownię, robiąc przy okazji remont kapitalny lub wymianę. Kratownica wymaga zdecydowanie mniej miejsca niż wieża z odciągami.

Najważniejszym elementem elektrowni wiatrowej jest turbina wiatrowa, którą w praktyce są łopatki zamocowane na piaście wirnika. W zależności od konstrukcji, wyróżnia się kilka rodzajów turbin, które mogą występować również w kombinacjach połączonych z kilku odmian. Wszystkie elektrownie wiatrowe pracują dzięki rotacji wirnika poruszanego siłą wiatru. Podstawowe różnice, – to położenie osi wirnika i budowa rotora. W większości wypadków występują elektrownie o poziomej osi obrotu Y-type. Są to proste konstrukcje udoskonalane od wielu lat. Dzięki doświadczeniu wielu pokoleń, podobnie jak np. wiertarka elektryczna, doczekała się optymalnych kształtów i proporcji. Turbiny o poziomej osi obrotu mają sprawność na poziomie do 75% (pionowe tylko około 40%). Więcej też raczej nie można będzie osiągnąć, ponieważ łopaty pracują pod kątem prostym do wektora siły wiatru i obracając się wokół osi tną powietrze i stawiają opór. Na szczęście przy małej sile wiatru i z uwagi na gęstość czynnika jakim jest powietrze, ten opór jest pomijalny, a okazuje się pomocny w czasie silnych wiatrów (przyhamowuje nieco elektrownię).

Sprawność turbiny wiatrowej – jest to ilość energii wiatru, jaką można zamienić na energię kinetyczną ruchu wirnika (nie przeliczaną na energię elektryczną, – bo byłaby to sprawność elektrowni wiatrowej). Elektrownia wiatrowa osiąga (podobnie jak np. silnik spalinowy w samochodzie) swoją optymalną wydajność przy jakiejś konkretnej prędkości obrotowej, a tą z kolei osiąga przy konkretnej prędkości wiatru. Energia, jaką niesie ze sobą wiatr jest w trzeciej potędze prędkości. Mniej więcej oznacza to, że z każdym m/s energia rośnie trzykrotnie. W praktyce dla np. 2m/s mamy energię równą 2 do trzeciej potęgi równą 8 jednostek mocy, a już przy wietrze o prędkości 3m/s mamy 3 do trzeciej potęgi równą 27 jednostek mocy. Dlatego niezwykle istotnym elementem wydajności turbiny jest siła wiatru potrzebna do optymalnej pracy turbiny.

Koniec części pierwszej

Satyr

Zachęcam Czytelników do zapoznania się z drugą częścią artykułu, w której zawarłem szereg pytań i odpowiedzi związanych z małą przydomową elektrownią wiatrową. Mam nadzieję, że te odpowiedzi rozwieją wiele Waszych wątpliwości.