Małe elektrownie wiatrowe

Masz dosyć wysokich rachunków za energię? Żaden problem – uruchom swoją własną elektrownię na wiatr. Producenci małych turbin wiatrowych kuszą potencjalnych nabywców wizją energetycznej samowystarczalności. Mniej zamożni stawiają na własne konstrukcje i fora internetowe rojące się od instrukcji a’la McGyver pozwalających z ogólnie dostępnych i niedrogich elementów zbudować własną turbinę.

Energia wiatrowa odgrywa coraz większą rolę w światowym bilansie energetycznym. Decyduje o tym przede wszystkim rozwój dużych farm wiatrowych, których koszty należy liczyć w milionach euro a zainstalowane moce w megawatach. Równolegle rozwija się także rynek tzw. mikroturbin wiatrowym, dzięki którym przysłowiowy Kowalski może wnieść swój mały wkład w rozwój energetyki wiatrowej.

Małą, przydomową elektrownie wiatrową powinny charakteryzować następujące paramatry:

• prosta i niezawodną konstrukcja,
• niewielki rozmiar i masa,
• przystępna cena.

Silnik wiatrowy (rotor)

W dużych elektrowniach ze względu na wysoką sprawność stosuje się niemal wyłącznie konstrukcje o poziomej osi obrotu. Rotory takie mają największą sprawność, wymagają jednak zaawansowanych technologii (skomplikowany profil aerodynamiczny łopat, mechanizm kierunkowania gondoli pod wiatr, bardzo wytrzymały maszt). Dlatego w małych konstrukcjach (szczególnie amatorskich), gdzie koszty i prostota są ważniejsze niż wyśrubowana wydajność, popularne jest stosowanie wirników z osią pionową. Takie rozwiązanie ma szereg poważnych zalet:

• brak mechanizmu „kierowania na wiatr”
• nie wymaga wysokich, kłopotliwych w montażu wysokich masztów,
• mały hałas
• odporność na silny wiatr – charakterystyka aerodynamiczna nie pozwala na nadmierne „rozbieganie” się wirnika

Jednym z najpopularniejszych rotorów o pionowej osi obrotu jest tzw Savonius (silnik Savoniusa). Łatwo go zbudować metodą chałupniczą wykorzystując rozkrojoną na pół … blaszaną beczkę.

Indywidualnie czy zespołowo

Małe elektrownie wiatrowe mogą pracować w dwóch systemach:

• autonomicznym – wyprodukowana energia zasila wydzieloną sieć,
• zsynchronizowanym – elektrownia jest sprzęgnięta z publiczną siecią elektroenergetyczną.

Praca na obwód wydzielony. Mała turbina wiatrowa świetnie się nadaje do zasilania wydzielonego obwodu prądu stałego – np. instalacji oświetleniowej ogrodu. Aby zapewnić ciągłość zasilania i uniezależnić się od kaprysów pogody z turbiną sprzęgnięty jest zespół akumulatorów. Nowoczesne źródła światła (np. żarówki LED) charakteryzują się bardzo małym poborem energii – dzięki temu można użyć wiatraka już o mocy kilkuset watów. Aby zwiększyć niezawodność układ można wzbogacić dodatkowo o panel fotowoltaniczny, który będzie dodatkowo doładowywał akumulatory w słoneczne dni.

System autonomiczny jest dosyć prosty i tani w budowie ma jednak poważne wady. Głównym problemem wydają się być akumulatory. Są to urządzenia drogie o niezbyt długiej żywotności (kilka, maksymalnie 5 lat). W przypadku całkowitego rozładowania (o co nietrudno w przypadku kilkudniowej bezwietrznej pogody) akumulatory ulegają stopniowemu zasiarczeniu, co dodatkowo skraca ich żywotność. W przypadku długo utrzymującej się korzystnej pogody powstaje nadwyżka energii, która nie mieści się w akumulatorach, w związku z czym jest bezpowrotnie tracona.

Sensowna w polskich warunkach wydaje się instalacja w której prąd wytworzony w turbinie wykorzysta się do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Jest to najtańsza i najprostsza forma wykorzystania energii wiatru. Zyskujemy:

• maksymalną sprawność – cała wyprowadzona moc zostanie zamieniona w ciepło,
• prostotę – wahania mocy czy częstotliwości nie mają większego znaczenia – grzałka nie jest wymagającym odbiornikiem

Pozostaje wykonanie bilansu ekonomicznego. Przykładowo na ogrzanie dobrze ocieplonego domu o powierzchni 120m rocznie potrzeba ok. 12 000 kWh (100 kWh rocznie ma 1m2). Przygotowanie ciepłej wody użytkowej dla 4 osobowej rodziny to dodatkowo 1600 kWh rocznie (źródło: mojaenergia.pl) W polskich warunkach szacuje się, że z turbiny o mocy 2 kW otrzymamy średnio 5 kWh dziennie – a więc niecałe 2000 kWh rocznie co stanowi 15% zapotrzebowania.

Praca na sieć sztywną. Na rynku dostępne są małe turbiny wyposażone w inwerter – urządzenie które reguluje napięcie i częstotliwość do poziomu umożliwiającego synchronizację elektrowni z siecią. Sieć spełnia w tym układzie rolę gigantycznego akumulatora, który zapewnia odbiór wyprodukowanej energii i pewność ciągłości zasilania w bezwietrzne dni. Aby przyłączyć do sieci urządzenie wytwórcze jakim jest wiatrak i zarabiać na wyprodukowanej energii należy podpisać stosowna umowę z lokalnym zakładem energetycznym. I tutaj zaczynają się schody i piętrzą dodatkowe koszty. Trzeba będzie wykonać odpowiednie przyłącze wiatraka do sieci z zaawansowaną automatyką dbającą o odpowiednie parametry energii produkowanej w elektrowni i umożliwiającą synchronizację z siecią. Nieuchronne jest też zderzenie z barierą biurokratyczną – niezbędna będzie koncesja na wytwarzanie energii, oraz zarejestrowanie działalności gospodarczej. Po podliczeniu dodatkowych kosztów szybko okazuje się przedsięwzięcie jest mocno nieopłacalne. Dlatego jasno trzeba sobie powiedzieć, że o dodatnim rachunku ekonomicznym możemy mówić przy turbinach o mocach zaczynających się od kilkuset kilowatów.

Rozmiar ma znaczenie czyli test małych elektrowni

Low-tech magazine przeprowadził test małych turbin wiatrowych. W okresie marzec 2008 – marzec 2009 w Holandii zamontowano obok siebie 12 małych elektrowni. Średnia prędkość wiatru w tym okresie wyniosła 3,8 m/s – warunki wietrzne były więc porównywalne z występującymi w Polsce. Trzy wiatraki ze względu na awarię nie ukończyły testu – wyniki pozostałych w tabeli poniżej.

Lp	Turbina	Średnica wirnika [m]	Energia [kWh/rok]	cena [euro]
1	Energy Ball v100	1	73	4304
2	Ampair 600	1,7	245	8925
3	Turby	2	247	21350
4	Airdolphin	1,8	393	17548
5	WRE 030	2,5	404	29512
6	WRE 060	3,3	485	37187
7	Passat	3,1	578	9239
8	SkyStream	3,7	2109	10742
9	Montana	5	2691	18508

Test przeprowadzony w warunkach wietrznych podobnych jak w Polsce (średnia prędkość wiatru zawierająca się w granicach 2,5 – 4m/s) przyniósł dość przygnębiające wyniki. Okazało się że w przypadku małych turbin nie może być mowy o jakiejkolwiek opłacalności. Dość powiedzieć, że najlepszy obliczony czas zwrotu inwestycji (dla wiatraka SkyStream, przy założeniu że wyprodukowaną energię odkupi ZE w cenie 0,4zł/kWh ) wyniósł… 53 lata. Nad wynikami reszty urządzeń można litościwie opuścić zasłonę milczenia.

Czy zatem mała energetyka wiatrowa nie ma przyszłości? Niestety biorąc pod uwagę koszt zakupu elektrowni, bariery biurokratyczne i dosyć przeciętne warunki wiatrowe na większości obszaru kraju należy się spodziewać, że małe wiatraki jeszcze długo pozostaną domeną fascynatów i domorosłych konstruktorów.