Małe elektrownie wiatrowe (MEW) Autor: Ryszard Tytko

(„Czysta energia” - 2/2010) W Polsce coraz popularniejsze i coraz tańsze stają się małe elektrownie wiatrowe z pionową osią obrotu. Są to jednostki o mocach poniŜej 20 kW. Cechuje je stosunkowo wysoka czułość na małe prędkości wiatru. Do najwaŜniejszych zalet małej turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu moŜna zaliczyć: prostą budowę, brak układów do nastawienia turbiny pod wiatr, lepsze wykorzystanie energii wiatru w terenie zabudowanym, moŜliwość montowania ich w terenie otwartym oraz na budynkach. Charakterystyka MEW z pionową osią obrotu Turbina o mocy 2,5 kW jest w stanie wytworzyć rocznie ok. 2500 KWh energii elektrycznej (przy średniej prędkości wiatru 4,5 m/s). Turbiny te mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie wymagana jest produkcja małej ilości energii elektrycznej. Mikroelektrownia wiatrowa moŜe być przenoszona i instalowana w trudno dostępnym terenie, łatwo teŜ komponuje się z otoczeniem, stając się elementem dekoracyjnym. Jej pracę cechuje niska emisja hałasu. Tego rodzaju elektrownie nie wymagają wydania pozwolenia na budowę, o ile nie są trwale związane z gruntem. Turbina ta moŜe współpracować z baterią: fotoogniw, akumulatorów i falownikiem napięcia stałego na przemienny. W zaleŜności od mocy elektrowni wymiary elementu wirującego turbiny wynoszą: wysokość 0,8-6 m, średnica 0,5-6,5 m (tab.). Łopaty wirnika mogą być wykonane z blachy stalowej, aluminiowej bądź z materiałów Ŝywicznych na bazie włókien szklanych. Średni czas pracy małej elektrowni wiatrowej szacuje się na ok. 1800 h/rok. Sprawność układu turbiny wiatrowej i napędzanej przez nią prądnicy w (MEW) wynosi ok. 0,25. Moc turbiny zaleŜy m.in. od prędkości wiatru w trzeciej potędze, pola powierzchni skrzydeł. Zalety turbin o pionowej osi obrotu DuŜą zaletą takiej turbiny jest stała praca niezaleŜna od kierunku wiatru i nie wymagająca mechanizmu „ustawiania pod wiatr”. MoŜe startować juŜ przy prędkości wiatru wynoszącej ok. 2 m/s. Pionowa oś obrotu i niewielka średnica umoŜliwiają łatwy montaŜ. Nie jest konieczne budowanie wysokich masztów w sprzyjających warunkach. Na otwartym terenie wystarczy wysokość ok. 2-4 m nad poziomem gruntu. Turbina moŜe być montowana na gruncie, dachach budynków, słupach, istniejących konstrukcjach masztów itp. Charakteryzuje się cichą i stabilną pracą nawet przy maksymalnej prędkości obrotowej i odpornością na bardzo silne podmuchy wiatru (nie wymaga zatrzymania nawet przy wietrze o prędkości 40 m/s bowiem kształt wirnika zapewnia aerodynamiczne ograniczenie obrotów). MoŜe być zainstalowana nawet w strefach zurbanizowanych. Jest odporna na pokrycie szronem czy lepkim śniegiem. Znacznie uproszczona konstrukcja przenośna gwarantuje długą Ŝywotność urządzenia i nie wymaga duŜych połaci terenu, aby uzyskać optymalne parametry pracy. Ponadto mała prędkość obwodowa wirnika i jego kształt zapewniają bezpieczeństwo zwierząt i ptaków. Koszt elektrowni o mocy 2-3 kW wynosi ok. 9,5 tys. zł.

Dane techniczne turbin wiatrowych z pionową osią obrotu firmy RMS

Źródło: www.rms.com.pl Podstawowym problemem, który hamuje dynamiczny rozwój elektrowni wiatrowych o pionowej osi obrotu jest fakt, Ŝe aby mogła być ona wykorzystana do zasilania w energię elektryczną odbiorców, musi współpracować z baterią akumulatorów, panelem fotowoltaicznym, falownikiem oraz układami sterowania, co zwiększa koszt inwestycji. Energia z wiatru w systemie grzewczym Systemem hybrydowym moŜna nazwać równieŜ współpracę małej elektrowni wiatrowej z instalacją centralnego ogrzewania w budynku mieszkalnym. Energia elektryczna wytworzona w elektrowni wiatrowej moŜe zasilić grzałki elektryczne w zasobniku wody, wydatnie przyczyniając się do wspomagania centralnego ogrzewania. Magazynowanie energii cieplnej w zasobniku jest tańszym rozwiązaniem technicznym niŜ elektrycznej w baterii akumulatorów. Ten prosty sposób wykorzystania energii elektrycznej z MEW jest najbardziej efektywny i posiada największe szanse rozwoju. MEW niezaleŜnie od prędkości obrotowej zawsze wytwarza energię elektryczną, która w grzałkach zostanie zamieniona w ciepło. Analiza bilansu energetycznego w zakresie dostarczonej do układu energii elektrycznej (moc MEW 3 kW) i odebranej energii cieplnej (dom jednorodzinny, zasobnik 300 l, c.o., c.w.u.) wskazuje na zasadność tego rozwiązania. Układ elektryczny to połączenie prądnicy z grzałką. MEW o pionowej osi obrotu jest prostym rozwiązaniem konstrukcyjnym, moŜe być produkowana przez małe firmy na terenie całego kraju i montowana w terenie otwartym, na budynkach mieszkalnych, gospodarczych, przemysłowych itp. W duŜym uproszczeniu konstrukcję moŜna podzielić na trzy podzespoły:

• Konstrukcja nośna: maszt stalowy o wysokości ok. 6-10 m przymocowany do fundamentu betonowego, lub konstrukcja stalowa do mocowania na dachu.

• Prądnica synchroniczna w obudowie stalowej. • Wirnik silnika wiatrowego karuzelowego lub rotorowego połączony sprzęgłem z prądnicą. Obudowa

prądnicy i wirnika skręcona jest z konstrukcją nośną. (Prądnice produkowane w Polsce posiadają róŜne zakresy mocy i są stosunkowo tanie 2,5 kW ok. 3 tys. zł).

Przyszli producenci MEW z pionową osią obrotu powinni zlecić projekt konstrukcyjny firmie projektowej, dokonać badania efektywności pracy tego urządzenia w tunelu aerodynamicznym, np. na Politechnice Krakowskiej, oraz w warunkach rzeczywistych zapewnić montaŜ, serwis gwarancyjny i pogwarancyjny. Koszt takiej elektrowni to kilka tys. zł za urządzenie o mocy ok. 3 kW. Czas eksploatacji wynosi kilkanaście lat. W celu obniŜenia kosztów, a tym samym zachęcenia przyszłych odbiorców urządzeń do ich montaŜu, poleca się wykorzystanie energii elektrycznej do ogrzewania c.w.u. i wspomagania c.o. w budynkach mieszkalnych. Propozycja ta jest sensowna i naleŜy Ŝywić nadzieję, Ŝe znajdą się producenci tych urządzeń oraz ich odbiorcy. Trzeba zdawać sobie sprawę z tego, iŜ jest to skala mikro, jednak potrzebna, gdyŜ stworzy nowe miejsca pracy w Polsce oraz zmniejszy koszty ogrzewania naszych domów.

Model SMV-200 SWV-300 SWV-500 SWV-1000 SWV-3000 SWV-K10 Moc znamionowa 200 W 300 W 500 W 1 kW 3kW 10 kW Napięcie znamionowe [DC] 12 24 24 24 48 110 Start przy prędkości wiatru [m/s]

2 2 2 2 2 2

Moc znamionowa przy prędkości wiatru [m/s]

10 10 10 12 12 12

Zakres pracy [m/s] 4-25 4-25 4-25 4-25 4-25 4-25 Granica bezpieczeństwa [m/s] 40 40 40 50 50 50 Szerokość turbiny [cm] 138 138 138 180 300 600 Wysokość turbiny [cm] 90 130 220 250 360 620 Zalecana wysokość masztu [m] 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 11 Waga (bez masztu) [kg] 70 90 130 180 500 1700

Małe elektrownie wiatrowe mają szansę znaleźć swoje miejsce na rozwijającym się rynku alternatywnej energii. Dzięki prostej budowie, łatwemu montaŜowi i niewielkim kosztom, istnieje szansa, Ŝe w przyszłości będą eksploatowane na duŜą skalę przez indywidualnych odbiorców. Wybrane wyniki badań elektrowni ECO-H-1,5 kW Celem badań była analiza pracy prądnicy synchronicznej wykorzystywanej w MEW (rys. 1). Współpracowała ona z regulatorem, zespołem rezystorów, układem prostowniczym, baterią akumulatorów o napięciu 96 V, falownikiem, który na wyjściu posiada napięcie zmienne 230 V.

Rys. 1. Schemat blokowy układu do badań elektrowni wiatrowej o mocy 1,5 kW w laboratorium maszyn elektrycznych w ZSE nr 1 w Krakowie Siła elektromotoryczna indukowana w maszynie synchronicznej zaleŜy od: parametrów konstrukcyjnych maszyny, strumienia magnetycznego oraz prędkości obrotowej i wyraŜa się wzorem:

E = c⋅Φ⋅n

Rys. 2. Charakterystyka elektrowni wiatrowej o mocy 1,5 kW Badana maszyna posiada osiem par biegunów zamocowanych na wirniku. Są to magnesy stałe nanodymowe. Strumień magnetyczny Φ jest więc wartością stałą. Na stojanie umieszczono trzy uzwojenia wraz z wyprowadzeniami, w których indukuje się siła elektromotoryczna E. Oznaczenie c we wzorze charakteryzuje właściwości konstrukcyjne maszyny, od których zaleŜy kąt nachylenia charakterystyki:

E = f (n) Na podstawie charakterystyki (rys. 2) moŜna stwierdzić, Ŝe wartość mierzonego napięcia na zaciskach prądnicy wzrasta liniowo wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wirnika. Przy prędkości 380 obr./min zmierzona wartość napięcia wyniosła ok. 200 V.

Rys. 3. Wykres napięcia U = f(I) przy obciąŜeniu Prędkość synchroniczna prądnicy wynosi n = 375 obr./min, częstotliwość f = 50 Hz.

Ze wzoru: n = 60·f/p

wynika, Ŝe liczba par biegunów wynosi: p = 60·f/n = 60·50/375 = 8

Częstotliwość indukowanego napięcia wyraŜa się wzorem: f = p·n/60

Częstotliwość zmienia się w zakresie od 0 do ok. 80 Hz, wraz ze wzrostem obrotów i napięcia. Zmiana napięcia i częstotliwości wraz ze zmianą obrotów w badanej maszynie synchronicznej powoduje, Ŝe nie moŜe zostać przyłączona bezpośrednio do sieci. Aby otrzymać napięcie zmienne U = 230 V o częstotliwości f = 50 Hz, musi ona współpracować z prostownikiem, baterią akumulatorów i falownikiem. Dopiero te urządzenia wygenerują napięcie o parametrach U = 230 V, f = 50 Hz. W obwód elektryczny badanej elektrowni wiatrowej włączono trzy rezystory połączone w gwiazdę. Ich zadaniem jest odbieranie energii elektrycznej z prądnicy i zamienianie jej na ciepło przy braku obciąŜenia zewnętrznego. Energia zostanie odebrana po przekroczeniu nastawionej wartości napięcia (dla prędkości wiatru ok. 25 m/s). Jest to elektryczny hamulec dla elektrowni wiatrowych. Charakterystykę obciąŜenia (rys. 3) wykonano na podstawie wyników pomiarów prądu i napięcia na rezystorach regulowanych, stanowiących obciąŜenie prądnicy. Pomiary wykonano przy: n = 375 obr./min, f = 50 Hz, cosφ = 1. Na podstawie wyników moŜna stwierdzić, Ŝe badana prądnica w zakresie pracy od biegu jałowego do obciąŜenia znamionowego charakteryzuje się stałością napięcia (w literaturze fachowej ten typ charakterystyki nazywany jest „ charakterystyką sztywną”). Napięcie znamionowe prądnicy wynosi UN = 196 V, prąd znamionowy IN = 8 A, częstotliwość f = 50 Hz. Temperatura ustalona prądnicy wynosiła ok. 45ºC. W czasie pomiarów na oscyloskopie obserwowano przebiegi napięć prądnicy oraz na wyjściu z falownika i porównywano je z przebiegiem napięcia w sieci. Wnioski po dokonaniu analizy wyników pomiarów, jakie w swych sprawozdaniach zamieścili uczniowie – Marcin Szopa i Piotr Ochmański z klasy IVE w ZSE nr 1 w Krakowie – pokrywają się z danymi katalogowymi badanej prądnicy. Ryszard Tytko, Zespół Szkół Elektrycznych nr 1, Kraków