> Jak zaopatrzy膰 dom w energi臋 elektryczn膮? - BudNews.pl - budownictwo i architektura

Jak zaopatrzy膰 dom w energi臋 elektryczn膮?

Tekst Micha艂 Mrozowski, wiatrometr.pl

Coraz wi臋cej os贸b zadaje sobie takie pytania szukaj膮c ekologicznego, 艂atwo dost臋pnego i taniego 藕r贸d艂a energii. Odpowiedzi na te pytania nie s膮 proste i wymagaj膮 znajomo艣ci podstawowej wiedzy z zakresu budowy tych maszyn oraz fizyki wiatru. W serii dw贸ch artyku艂贸w postaramy si臋 t臋 wiedz臋 przekaza膰. W pierwszej cz臋艣ci skupimy si臋 na systemach ma艂ych turbin wiatrowych, opiszemy ich elementy oraz podstawowe parametry, kt贸re powiniene艣 wzi膮膰 pod uwag臋. W kolejnym artykule przedstawimy zagadnienia dotycz膮ce wiatru, szacowaniu jego zasob贸w w miejscu planowanej inwestycji oraz wyliczaniu na tej podstawie prognozy produkcji energii elektrycznej. Lektura obu artyku艂贸w umo偶liwi Ci znalezienie wst臋pnych odpowiedzi na powy偶sze pytania. Widz膮c wie偶臋 oraz turbin臋 ze 艣mig艂em, cz臋sto nie zdajemy sobie sprawy z tego, 偶e jest to tylko cz臋艣膰 ca艂ego systemu, kt贸ry w skr贸cie okre艣lany jest jako elektrownia wiatrowa. Do przetwarzania energii kinetycznej wiatru w energi臋 elektryczn膮 potrzebny jest ca艂y zestaw odpowiednich urz膮dze艅 i element贸w. Tworz膮 one jeden sp贸jny system, kt贸ry jako ko艅cowy produkt generuje energi臋 elektryczn膮. Ka偶dy element pe艂ni tu r贸wnowa偶n膮 rol臋, bo brak lub awaria cho膰by jednego z nich, uniemo偶liwia prac臋 wszystkich urz膮dze艅. Na kompletny system ma艂ej elektrowni wiatrowej sk艂adaj膮 si臋: turbina wiatrowa, wie偶a, kontroler, inwerter oraz okablowanie.

Turbiny wiatrowe dziel膮 si臋 na dwa typy: o poziomej osi obrotu HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) i o pionowej osi obrotu VAWT (Vertical Axis Wind Turbine). Turbiny o poziomej osi obrotu stanowi膮 zdecydowan膮 wi臋kszo艣膰 u偶ytkowanych turbin wiatrowych, zar贸wno w Polsce jak i na 艣wiecie (ponad 90%). Obserwuje si臋 jednak trend wzrostu sprzeda偶y turbin o pionowej osi obrotu. Wynika to z faktu, 偶e s膮 one nieco cichsze oraz pracuj膮 niezak艂贸cenie przy zmiennym kierunku wiatru bez konieczno艣ci ustawiania si臋 鈥瀗a wiatr鈥. Obecnie s膮 one jednak znacznie dro偶sze od turbin klasycznych, czego nie kompensuje ich wi臋ksza efektywno艣膰. Typowa ma艂a turbina wiatrowa sk艂ada si臋 z wirnika, generatora oraz ogona, kt贸ry nastawia wirnik do wiatru. Wirnik jest elementem, kt贸ry zamienia energi臋 kinetyczn膮 wiatru na ruch obrotowy. Najbardziej popularne wersje posiadaj膮 trzy 艂opaty. Jest to rodzaj, kt贸ry w najwi臋kszym stopniu 艂膮czy wydajno艣膰 i niski poziom ha艂asu z dost臋pn膮 cen膮. Bardzo wa偶n膮 cech膮 jest d艂ugo艣膰 艂opat turbiny. Im powierzchnia wyznaczona przez 艣rednic臋 obracaj膮cych si臋 艂opat jest wi臋ksza, tym wi臋ksza jest mo偶liwa ilo艣膰 energii elektrycznej do wyprodukowania. Generator jest urz膮dzeniem, kt贸re przekszta艂ca energi臋 kinetyczn膮 kr臋c膮cego si臋 wirnika na energi臋 elektryczn膮. Nie jest to jednak pr膮d, kt贸ry mo偶emy wykorzysta膰 do zasilania typowych urz膮dze艅 elektrycznych. W zale偶no艣ci od pr臋dko艣ci wiatru, posiada on bardzo r贸偶ne napi臋cie i nat臋偶enie. Za dostosowanie jego parametr贸w do warto艣ci, jakie posiadamy w gniazdkach elektrycznych, odpowiada inwerter. Bardzo cz臋sto jest on zintegrowany z kontrolerem. Jest to z kolei urz膮dzenie, kt贸re czuwa nad prac膮 turbiny. Do jego funkcji nale偶膮 m.in. maksymalizacja produkcji pr膮du oraz wy艂膮czanie turbiny w przypadku zbyt silnego wiatru. Inwerter i kontroler znajduj膮 si臋 zazwyczaj w budynku po艂o偶onym niedaleko od turbiny. Czym bli偶ej tym lepiej, gdy偶 unikniemy nadmiernych strat na przewodach, kt贸rymi b臋dzie p艂yn膮艂 pr膮d z generatora. Bardzo wa偶nym elementem instalacji jest wie偶a, na kt贸rej zostanie umieszczona turbina wiatrowa. Inwestorzy cz臋sto po艣wi臋caj膮 temu elementowi ma艂o uwagi, a wysoko艣膰 wie偶y jest jednym z kluczowych parametr贸w wp艂ywaj膮cych na wielko艣膰 produkcji energii elektrycznej. Wie偶a powinna by膰 mo偶liwie wysoka, gdy偶 pr臋dko艣膰 wiatru ro艣nie wraz z wysoko艣ci膮. Generalna zasada m贸wi, 偶e czym wy偶sza jest wie偶a tym wi臋cej energii wyprodukuje turbina wiatrowa. Dodatkowo budynki, drzewa, pag贸rki oraz inne przeszkody powoduj膮 turbulencje powietrza, kt贸re znacznie ograniczaj膮 produkcj臋. Wie偶a powinna by膰 na tyle wysoka, aby turbina nie pracowa艂a w obszarze tych turbulencji. Jak si臋 okazuje w praktyce, relatywnie ma艂e inwestycje w podniesienie wysoko艣ci wie偶y zwracaj膮 si臋 bardzo szybko. Na przyk艂ad dla turbiny o mocy 5 KW podniesienie wie偶y z 10 metrowego masztu na 20 metrowy spowoduje wzrost koszt贸w ca艂ej inwestycji o 10 – 15%, ale zwi臋kszy produkcj臋 pr膮du o oko艂o 30%. Przyk艂ad bardzo mocno obrazuje jak wa偶ny jest to parametr. Okre艣lenie optymalnej wysoko艣ci wie偶y wymaga dok艂adnego poznania warunk贸w wietrzno艣ci w danej lokalizacji. W szczeg贸lno艣ci musimy pozna膰 jak bardzo ro艣nie pr臋dko艣膰 wiatru wraz z wysoko艣ci膮.

Na rynku wyst臋puj膮 dwa podstawowe typy wie偶: wie偶e z odci膮gami oraz wie偶e wolnostoj膮ce. Wi臋kszo艣膰 przydomowych rozwi膮za艅 wykorzystuje wie偶e z odci膮gami. S膮 one zdecydowanie ta艅sze. Sk艂adaj膮 si臋 z konstrukcji kratownicowej lub rurowej, kt贸ra jest podtrzymywana linami odci膮gowymi zakotwiczonymi w gruncie. Ich podstawow膮 wad膮 jest to, 偶e zajmuj膮 du偶o miejsca, gdy偶 kotwy odci膮g贸w s膮 znacznie oddalone od samego masztu (promie艅 od 1/2 do 3/4 wysoko艣ci masztu). Dodatkowo liny te stanow膮 powa偶n膮 przeszkod臋 dla pojazd贸w mechanicznych i utrudniaj膮 upraw臋 ziemi. Maszty wolnostoj膮ce nie posiadaj膮 odci膮g贸w, jednak ze wzgl臋d贸w konstrukcyjnych s膮 zdecydowanie ci臋偶sze i wymagaj膮 przygotowania solidnych fundament贸w. S膮 rozwi膮zaniem zdecydowanie dro偶szym ni偶 maszty z odci膮gami. Bardzo wa偶n膮 kwesti膮 przy wyborze turbiny wiatrowej s膮 parametry, na podstawie kt贸rych powinni艣my podj膮膰 decyzj臋 o jej wyborze. Pierwszym z nich jest wspomniana wcze艣niej 艣rednica wirnika. Jest to 艣rednica okr臋gu jaki zakre艣laj膮 艂opaty turbiny. Pr贸buj膮c interpretowa膰 co ona w艂a艣ciwie oznacza, proponujemy traktowa膰 wirnik jako odbiornik energii wiatru. Czym wi臋kszy jest Tw贸j odbiornik, tym wi臋cej energii b臋dziesz w stanie za pomoc膮 niego zebra膰. Je艣li zwi臋kszysz sw贸j odbiornik dwukrotnie to o tyle samo wzro艣nie ilo艣膰 energii, kt贸r膮 odbierzesz. Analogicznie jest w innych dziedzinach 偶ycia. Kabel o dwukrotnie wi臋kszym przekroju jest w stanie przekaza膰 dwukrotnie wi臋cej pr膮du. Samoch贸d z silnikiem o pojemno艣ci dwa razy wi臋kszej, ma przewa偶nie dwukrotnie wi臋ksz膮 moc, itd. Wynika z tego bezpo艣rednio, 偶e 艣rednica wirnika to parametr, kt贸ry ma bardzo istotny wp艂yw na ilo艣膰 produkcji energii przez turbin臋 wiatrow膮. Co bardzo wa偶ne, zale偶y on tylko i wy艂膮cznie od Ciebie, bo to Ty decydujesz jak膮 turbin臋 kupisz.

Pami臋taj, 偶e turbiny z ma艂ymi wirnikami zawsze produkuj膮 ma艂o pr膮du i to bez wzgl臋du na moc elektryczn膮 generatora jaki posiadaj膮. Nie oczekuj du偶ej produkcji pr膮du od turbiny, kt贸ra ma ma艂y wirnik. Tak samo jak nie oczekujesz, 偶e samochodem z ma艂ym silnikiem b臋dziesz dynamicznie przyspiesza艂 i je藕dzi艂 z olbrzymimi pr臋dko艣ciami. To s膮 prawa fizyki, kt贸rych 偶aden producent turbin wiatrowych nie jest w stanie omin膮膰. Bardzo wa偶nym parametrem opisuj膮cym turbin臋 jest jej krzywa mocy. Podaje ona moc, jak膮 generuje turbina przy r贸偶nych pr臋dko艣ciach wiatru. Gdy znamy dok艂adnie charakterystyk臋 warunk贸w wietrzno艣ci w naszej lokalizacji, mo偶emy na podstawie krzywej mocy wyliczy膰 bardzo dok艂adn膮 prognoz臋 rocznej produkcji energii elektrycznej przez dan膮 turbin臋. Ta warto艣膰, pozwoli nam wybra膰 najbardziej optymaln膮 turbin臋 do naszych potrzeb, lokalizacji i mo偶liwo艣ci finansowych. Warto tu doda膰, 偶e na dojrza艂ych rynkach Europy Zachodniej, roczna prognoza produkcji energii elektrycznej, obliczana na podstawie krzywej mocy i pomiaru wiatru, jest podstawowym warunkiem do udzielenia kredytu. Najwarto艣ciowsze s膮 krzywe mocy zweryfikowane przez niezale偶ne instytuty certyfikuj膮ce (norma europejska IEC 61400-2). Wynika to z faktu, 偶e producenci maj膮 sk艂onno艣膰 do ich zawy偶ania, przez co cz臋sto prognozy produkcji s膮 wy偶sze ni偶 p贸藕niejsze rzeczywi艣cie osi膮gane warto艣ci.

Obecnie na rynku polskim podstawowym parametrem, kt贸ry podaj膮 sprzedawcy turbin jest moc znamionowa generatora. Ostrzegamy, 偶e podejmowanie decyzji o zakupie turbiny tylko i wy艂膮cznie na jego podstawie, prowadzi najcz臋艣ciej do nieudanych inwestycji. Moc znamionowa jest maksymaln膮 moc膮 jaka generuje generator i jest osi膮gana zazwyczaj przy wiatrach wiej膮cych z pr臋dko艣ci膮 12 鈥 17 m/s. Przy warunkach wietrzno艣ci panuj膮cych na terenie Polski, turbina b臋dzie pracowa艂a z tak膮 moc膮 tylko kilkadziesi膮t godzin w roku. Zdecydowanie bardziej powinna nas interesowa膰 moc, jak膮 osi膮ga turbina przy wiatrach wiej膮cych z pr臋dko艣ci膮 5 鈥 7 m/s.
Podsumowuj膮c, w przypadku, gdy nie znamy charakterystyki wietrzno艣ci w naszej lokalizacji oraz nie mo偶emy jej zmierzy膰, najlepszym parametrem do por贸wnywania turbin jest wielko艣膰 艣rednicy wirnika. Gdy j膮 jednak znamy, na jej podstawie oraz krzywej mocy b臋dziemy w stanie wyliczy膰 roczn膮 produkcj臋 energii elektrycznej. Jest to najlepszy parametr, do oceny naszej inwestycji. Jak go wyliczy膰 dowiemy si臋 w nast臋pnej cz臋艣ci artyku艂u. Skupimy si臋 w nim na zagadnieniach dotycz膮cych wiatru, szacowaniu jego zasob贸w w miejscu planowanej inwestycji oraz wyliczaniu rocznej prognozy produkcji energii elektrycznej.