Energia wiatrowa

Budowa Instalacji

Turbina wiatrowa

Najważniejszym elementem Elektrowni Wiatrowej jest Turbina wiatrowa. Turbina wiatrowa to urządzenie zamieniające energię kinetyczną wiatru na pracę mechaniczną w postaci ruchu obrotowego wirnika. Turbina z zespołem generatora to najważniejsze elementy siłowni wiatrowej. Ich parametry techniczne i dobór decydują o właściwościach całej siłowni i jej efektywności sprawności. Co do samych elektrowni wiatrowych to mamy kilka typów, ale wszystkie łączy oczywiście ruch obrotowy wirnika.

Turbiny o osi poziomej

Turbiny osi pionowej

Najczęściej wykorzystywaną konfiguracją jest turbina o osi poziomej HAWT (HorizontalAxis WindTurbine) z trzema łopatami tak zwany Y-type. Turbiny te charakteryzują się najlepszym wskaźnikiem sprawności i mocy uzyskiwanej z kg masy. Zaopatrzone obowiązkowo w układ nastawiana na wiatr – pracują najlepiej kiedy wiatr wieje równolegle do osi wirnika turbiny. Z tego powodu w rozwiązanych mikro turbin wiatrowych stosuje się „ogon” do nastawiania turbiny na wiatr. Jest to bardzo proste i niezawodne rozwiązanie.

Innym rodzajem turbin które powracają do łask i w pewnych zastosowaniach są bezkonkurencyjne to turbiny o pionowej osi obrotu VerticalAxis Wind Turbine (VAWT). Do ich najważniejszych zalet należą niższe obroty a to bezpośrednio przekłada się na cichszą i spokojną pracę. Turbiny tego typu wykorzystują każdy wiatr wiejący z różnych kierunków o zróżnicowanej sile i dużej turbulencji (dzięki osi pionowej łopaty zawsze są nastawione "na wiatr"). Turbiny te możemy montować w obszarach silnie zurbanizowanych na niewysokich masztach.

Zasady pracy turbiny

W zasadzie mamy dwa typy turbin z uwagi na zasadę działania:

1. Turbiny, które wykorzystują profile lotnicze – śmigła.

2. Turbiny, które nie wykorzystują profili lotniczych.

Te pierwsze działają z wykorzystaniem siły nośnej, są one zdecydowanie sprawniejsze z uwagi na to ze siła nośna ma większą wartość niż siła wynikająca z zasady reakcji na napór wiatru.

Przykładem drugiego typu turbin jest klasyczna turbina rotorowa Savonius’a.

Wykorzystuje się tu siłę reakcji wiatru napierającego na łopatki turbiny. Z uwagi na fakt ze gdy jedna z łopat turbiny obraca się z wiatrem druga obraca się pod wiatr, obniża to sprawność tego typu turbin.
Pozytywnym aspektem tego zjawiska jest samohamowność która zapobiega rozbieganiu się turbiny nawet przy silnych huraganowych wiatrach

Inwerter on-grid (en. Wiatrowa)

Zadaniem Inwertera jest konwersja energii produkowanej przez turbinę wiatrową na prąd zmienny AC o określonej częstotliwości i napięciu, dostosowanym do odbiorników energii elektrycznej. Co więcej inwerter turbiny wiatrowej musi być wyposażony w układ kontroli wzrostu maksymalnego napięcia i obrotów turbiny co mogło by doprowadzić do jej uszkodzenia. Gdy wartość napięcia przekracza określoną wartość inwerter załącza dodatkowe obciążenie – dumpload (potocznie określane mianem grzałek) by zwiększyć obciążenie turbiny i zredukować jej obroty.

Najważniejsze wymagania dla falowników

Szybki układ kontroli napięcia na wejściu
Wysoka sprawność przy częściowym obciążeniu
Wysoka niezawodność
Stopień ochrony, np. IP54, IP65
Niski pobór prądu na czuwaniu
Zakres temperatur pracy (od –25°C do +60°C)
Kontrola poprzez zdalny monitoring
Korzystna relacje jakość-cena
Prostota instalacji i serwisu
Szczegółowe monitorowanie urządzenia, prosta diagnostyka usterek

System montażowy

Im wyżej zamocujemy turbine wiatrowa tym więcej energii wyprodukuje w ujęciu rocznym. Mikro turbiny najczęściej umieszczamy na masztach wykonanych z profili kołowych (rur ze stali czarnej) z odciągami, lub na konstrukcjach kratownicowych. Ostatnio popularne staja się maszty zaopatrzone w siłownik hydrauliczny pozwalający samoczynnie stawiać maszt lub w miarę potrzeby opuścić gondole na ziemie – np. przy pracach serwisowych. Średnia wysokość takich masztów to 12 m. Maszt to ten element turbiny wiatrowej na który musimy uzyskać zgodę/pozwolenie jeżeli chcemy go trwale związać z gruntem. Odstępstwem są konstrukcje mocowane nie na stale (bez fundamentu) jak wspomniane konstrukcje na odciągach.
Ciekawym rozwiązanemu jest umieszczanie turbiny na dachu budynku dzięki czemu omijamy konieczność uzyskania dodatkowych pozwoleń.

Okablowane, komponenty

Komponenty i okablowanie służy do połączenia zestawu w funkcjonalną całość. Najważniejszym wymogiem odnośnie komponentów instalacji Turbiny wiatrowej jest poza oczywistą trwałością na min. 25 lat odporność na warunki zewnętrzne jak deszcz czy promieniowanie UV.

Zalety

Turbina to system zero emisyjny w miejscu użytkowania. Nie emituje do atmosfery żadnych związków chemicznych czy pyłów zawieszonych. Aktywnie obniża produkcje CO2
Doskonałość współczesnych konstrukcji obniża koszty eksploatacji do minimum (wysoka trwałość, minimalna ilość ruchomych elementów).
Dzięki nowej ustawie OZE pozwalającej traktować sieć elektroenergetyczną jako akumulator energii instalacja zwraca się w czasie około 5-6 lat.
Brak strat przesyłowych – energia elektryczna powstaje w miejscu jej konsumpcji nie występuje konieczność jej konwersji w stacjach transformatorowych.
Roczna produkcja energii elektrycznej zachodzi w okresach maksymalnej konsumpcji w gospodarstwie domowym (największe uzyski jesień i zima)
Praca w dzień i w nocy możliwa 24h na dobe. Co więcej często jest jedynym źródłem zasilania w momencie uszkodzenia instalacji elektrycznej

Wietrzność

To najważniejsze kryterium przy podjęciu decyzji o wyborze turbiny jako źródła energii.
Oczywiście najkorzystniejsze warunki występują nad Bałtykiem. Mapa prezentująca warunki wietrzności daje tylko ogólny pogląd na temat zasobności rejonu w wiatr. Najważniejsze są warunki lokalne występujące na danym obszarze. Mogą one się zdecydowanie różnić od map poglądowych/uśrednionych. Co więcej istotniejszym parametrem jest nie wartość średnia, ale ilość dni z wiatrem o danej prędkości.

Wielkość instalacji

Wielkość instalacji uzależniona jest z jednej strony od miejsca posadowienia instalacji Wietrzności, wysokości na jakiej ustawiony jest Turbina wiatrowa i wreszcie profilu konsumpcji odbiorcy. Najczęściej w przypadku odbiorców indywidualnych jej wielkość waha się od:

500 Wp do 1KWp (ogrzanie CO i CWU np. gazem)
1 KWp do 3KWp – ogrzewanie CWU prądem
Powyżej 5/10 KWP - stosowanie układów wspomagania CO.

Generalnie zakłada się ze turbina pracuje sedno przez 20% dostępnego czasu. Czyli dla turbiny 1KW mamy:
20% * 24h * 1KWH = 4,8 KWh/dzień – oczywiście jest to wartość uśredniona w cyklu rocznym

Produkcja Energi

Produkcja energii elektrycznej uzależniona jest od siły wiatru. Ta zas zmienia się w ciągu całego roku. Uśredniajac możemy przyjąć ze ilość energii produkowanej będzie się rozkładać jak na wykresie z maksimami w okresach zimnych miesięcy roku.