Coraz więcej osób zadaje sobie takie pytania szukając ekologicznego, łatwo dostępnego i taniego źródła energii. Odpowiedzi na te pytania nie są proste i wymagają znajomości podstawowej wiedzy z zakresu budowy tych maszyn oraz fizyki wiatru. W serii dwóch artykułów postaramy się tę wiedzę przekazać. W pierwszej części skupimy się na systemach małych turbin wiatrowych, opiszemy ich elementy oraz podstawowe parametry, które powinieneś wziąć pod uwagę. W kolejnym artykule przedstawimy zagadnienia dotyczące wiatru, szacowaniu jego zasobów w miejscu planowanej inwestycji oraz wyliczaniu na tej podstawie prognozy produkcji energii elektrycznej. Lektura obu artykułów umożliwi Ci znalezienie wstępnych odpowiedzi na powyższe pytania. Widząc wieżę oraz turbinę ze śmigłem, często nie zdajemy sobie sprawy z tego, że jest to tylko część całego systemu, który w skrócie określany jest jako elektrownia wiatrowa. Do przetwarzania energii kinetycznej wiatru w energię elektryczną potrzebny jest cały zestaw odpowiednich urządzeń i elementów. Tworzą one jeden spójny system, który jako końcowy produkt generuje energię elektryczną. Każdy element pełni tu równoważną rolę, bo brak lub awaria choćby jednego z nich, uniemożliwia pracę wszystkich urządzeń. Na kompletny system małej elektrowni wiatrowej składają się: turbina wiatrowa, wieża, kontroler, inwerter oraz okablowanie.
Turbiny wiatrowe dzielą się 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 stanowią zdecydowaną większość użytkowanych turbin wiatrowych, zarówno w Polsce jak i na świecie (ponad 90%). Obserwuje się jednak trend wzrostu sprzedaży turbin o pionowej osi obrotu. Wynika to z faktu, że są one nieco cichsze oraz pracują niezakłócenie przy zmiennym kierunku wiatru bez konieczności ustawiania się „na wiatr”. Obecnie są one jednak znacznie droższe od turbin klasycznych, czego nie kompensuje ich większa efektywność. Typowa mała turbina wiatrowa składa się z wirnika, generatora oraz ogona, który nastawia wirnik do wiatru. Wirnik jest elementem, który zamienia energię kinetyczną wiatru na ruch obrotowy. Najbardziej popularne wersje posiadają trzy łopaty. Jest to rodzaj, który w największym stopniu łączy wydajność i niski poziom hałasu z dostępną ceną. Bardzo ważną cechą jest długość łopat turbiny. Im powierzchnia wyznaczona przez średnicę obracających się łopat jest większa, tym większa jest możliwa ilość energii elektrycznej do wyprodukowania. Generator jest urządzeniem, które przekształca energię kinetyczną kręcącego się wirnika na energię elektryczną. Nie jest to jednak prąd, który możemy wykorzystać do zasilania typowych urządzeń elektrycznych. W zależności od prędkości wiatru, posiada on bardzo różne napięcie i natężenie. Za dostosowanie jego parametrów do wartości, jakie posiadamy w gniazdkach elektrycznych, odpowiada inwerter. Bardzo często jest on zintegrowany z kontrolerem. Jest to z kolei urządzenie, które czuwa nad pracą turbiny. Do jego funkcji należą m.in. maksymalizacja produkcji prądu oraz wyłączanie turbiny w przypadku zbyt silnego wiatru. Inwerter i kontroler znajdują się zazwyczaj w budynku położonym niedaleko od turbiny. Czym bliżej tym lepiej, gdyż unikniemy nadmiernych strat na przewodach, którymi będzie płynął prąd z generatora. Bardzo ważnym elementem instalacji jest wieża, na której zostanie umieszczona turbina wiatrowa. Inwestorzy często poświęcają temu elementowi mało uwagi, a wysokość wieży jest jednym z kluczowych parametrów wpływających na wielkość produkcji energii elektrycznej. Wieża powinna być możliwie wysoka, gdyż prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością. Generalna zasada mówi, że czym wyższa jest wieża tym więcej energii wyprodukuje turbina wiatrowa. Dodatkowo budynki, drzewa, pagórki oraz inne przeszkody powodują turbulencje powietrza, które znacznie ograniczają produkcję. Wieża powinna być na tyle wysoka, aby turbina nie pracowała w obszarze tych turbulencji. Jak się okazuje w praktyce, relatywnie małe inwestycje w podniesienie wysokości wieży zwracają się bardzo szybko. Na przykład dla turbiny o mocy 5 KW podniesienie wieży z 10 metrowego masztu na 20 metrowy spowoduje wzrost kosztów całej inwestycji o 10 – 15%, ale zwiększy produkcję prądu o około 30%. Przykład bardzo mocno obrazuje jak ważny jest to parametr. Określenie optymalnej wysokości wieży wymaga dokładnego poznania warunków wietrzności w danej lokalizacji. W szczególności musimy poznać jak bardzo rośnie prędkość wiatru wraz z wysokością.
Na rynku występują dwa podstawowe typy wież: wieże z odciągami oraz wieże wolnostojące. Większość przydomowych rozwiązań wykorzystuje wieże z odciągami. Są one zdecydowanie tańsze. Składają się z konstrukcji kratownicowej lub rurowej, która jest podtrzymywana linami odciągowymi zakotwiczonymi w gruncie. Ich podstawową wadą jest to, że zajmują dużo miejsca, gdyż kotwy odciągów są znacznie oddalone od samego masztu (promień od 1/2 do 3/4 wysokości masztu). Dodatkowo liny te stanową poważną przeszkodę dla pojazdów mechanicznych i utrudniają uprawę ziemi. Maszty wolnostojące nie posiadają odciągów, jednak ze względów konstrukcyjnych są zdecydowanie cięższe i wymagają przygotowania solidnych fundamentów. Są rozwiązaniem zdecydowanie droższym niż maszty z odciągami. Bardzo ważną kwestią przy wyborze turbiny wiatrowej są parametry, na podstawie których powinniśmy podjąć decyzję o jej wyborze. Pierwszym z nich jest wspomniana wcześniej średnica wirnika. Jest to średnica okręgu jaki zakreślają łopaty turbiny. Próbując interpretować co ona właściwie oznacza, proponujemy traktować wirnik jako odbiornik energii wiatru. Czym większy jest Twój odbiornik, tym więcej energii będziesz w stanie za pomocą niego zebrać. Jeśli zwiększysz swój odbiornik dwukrotnie to o tyle samo wzrośnie ilość energii, którą odbierzesz. Analogicznie jest w innych dziedzinach życia. Kabel o dwukrotnie większym przekroju jest w stanie przekazać dwukrotnie więcej prądu. Samochód z silnikiem o pojemności dwa razy większej, ma przeważnie dwukrotnie większą moc, itd. Wynika z tego bezpośrednio, że średnica wirnika to parametr, który ma bardzo istotny wpływ na ilość produkcji energii przez turbinę wiatrową. Co bardzo ważne, zależy on tylko i wyłącznie od Ciebie, bo to Ty decydujesz jaką turbinę kupisz.
Pamiętaj, że turbiny z małymi wirnikami zawsze produkują mało prądu i to bez względu na moc elektryczną generatora jaki posiadają. Nie oczekuj dużej produkcji prądu od turbiny, która ma mały wirnik. Tak samo jak nie oczekujesz, że samochodem z małym silnikiem będziesz dynamicznie przyspieszał i jeździł z olbrzymimi prędkościami. To są prawa fizyki, których żaden producent turbin wiatrowych nie jest w stanie ominąć. Bardzo ważnym parametrem opisującym turbinę jest jej krzywa mocy. Podaje ona moc, jaką generuje turbina przy różnych prędkościach wiatru. Gdy znamy dokładnie charakterystykę warunków wietrzności w naszej lokalizacji, możemy na podstawie krzywej mocy wyliczyć bardzo dokładną prognozę rocznej produkcji energii elektrycznej przez daną turbinę. Ta wartość, pozwoli nam wybrać najbardziej optymalną turbinę do naszych potrzeb, lokalizacji i możliwości finansowych. Warto tu dodać, że na dojrzałych rynkach Europy Zachodniej, roczna prognoza produkcji energii elektrycznej, obliczana na podstawie krzywej mocy i pomiaru wiatru, jest podstawowym warunkiem do udzielenia kredytu. Najwartościowsze są krzywe mocy zweryfikowane przez niezależne instytuty certyfikujące (norma europejska IEC 61400-2). Wynika to z faktu, że producenci mają skłonność do ich zawyżania, przez co często prognozy produkcji są wyższe niż późniejsze rzeczywiście osiągane wartości.
Obecnie na rynku polskim podstawowym parametrem, który podają sprzedawcy turbin jest moc znamionowa generatora. Ostrzegamy, że podejmowanie decyzji o zakupie turbiny tylko i wyłącznie na jego podstawie, prowadzi najczęściej do nieudanych inwestycji. Moc znamionowa jest maksymalną mocą jaka generuje generator i jest osiągana zazwyczaj przy wiatrach wiejących z prędkością 12 – 17 m/s. Przy warunkach wietrzności panujących na terenie Polski, turbina będzie pracowała z taką mocą tylko kilkadziesiąt godzin w roku. Zdecydowanie bardziej powinna nas interesować moc, jaką osiąga turbina przy wiatrach wiejących z prędkością 5 – 7 m/s.
Podsumowując, w przypadku, gdy nie znamy charakterystyki wietrzności w naszej lokalizacji oraz nie możemy jej zmierzyć, najlepszym parametrem do porównywania turbin jest wielkość średnicy wirnika. Gdy ją jednak znamy, na jej podstawie oraz krzywej mocy będziemy w stanie wyliczyć roczną produkcję energii elektrycznej. Jest to najlepszy parametr, do oceny naszej inwestycji. Jak go wyliczyć dowiemy się w następnej części artykułu. Skupimy się w nim na zagadnieniach dotyczących wiatru, szacowaniu jego zasobów w miejscu planowanej inwestycji oraz wyliczaniu rocznej prognozy produkcji energii elektrycznej.
Tekst Michał Mrozowski, wiatrometr.pl