Małe elektrownie wiatrowe z pionową osią obrotu

Małe elektrownie wiatrowe z pionową osią obrotu

W Polsce coraz popularniejsze i coraz tańsze stają się małe elektrownie wiatrowe

z pionową osią obrotu. Są to jednostki o mocach poniŜej 20 kW.

Rodzaje silników wiatrowych z pionową osią obrotu: a) karuzelowy, b) rotorowy

Charakterystyka małych elektrowni wiatrowych z pionową osią obrotu

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 jak równieŜ na domach.  Cechuje
je  stosunkowo  wysoka  czułość  na  małe  prędkości
wiatru.  Turbina  o mocy  2.5  kW  jest  w  stanie
wytworzyć rocznie ok. 2500 KWh energii elektrycznej
(o 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  przenośna
i instalowana  w  trudno  dostępnym  terenie,  łatwa  do
wkomponowania  w  otoczenie,  moŜe  posłuŜyć,  jako
element  dekoracyjny.  Pracę  jej  cechuje  niska  emisja
natęŜenia  hałasu.  Na  ich  instalację  nie  muszą  być
wydawane pozwolenia na budowę, dotyczy to  jednak
tylko  tych  turbin,  które  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. Łopaty wirnika mogą być wykonane z blachy stalowej,
aluminiowej, Ŝywiczne 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. W Polsce produkcją tych urządzeń zajmuje się jedynie garstka
pasjonatów.

Moc turbiny zaleŜy m.in. od prędkości wiatru w trzeciej potędze, pola powierzchni
skrzydeł.

Rys. Model laboratoryjny MEW.

Zalety turbin o pionowej osi obrotu:

–

stała praca niezaleŜna od kierunku wiatru, nie wymagają mechanizmu
"ustawiania pod wiatr";

–

start przy prędkości wiatru wynoszącej ok.2 m/s

–

pionowa oś obrotu i niewielka średnica umoŜliwia łatwy montaŜ, nie jest
konieczne budowanie wysokich masztów w sprzyjających warunkach, na
otwartym terenie wystarczy wysokość ok. 2 - 4 m nad poziom gruntu;

–

moŜliwość montaŜu: na gruncie, dachach budynków, słupach, istniejących
konstrukcjach masztów, itp.;

–

cicha praca nawet przy maksymalnej prędkości obrotowej;

–

odporność na bardzo silne podmuchy wiatru nie wymaga zatrzymania nawet
przy wietrze o prędkości 40 m/s, kształt wirnika zapewnia aerodynamiczne
ograniczenie obrotów;

–

odporność w warunkach zimowych na pokrycie szronem czy lepkim śniegiem;

–

bezobsługowa praca zespołu prądotwórczego;

–

moŜliwa jest konstrukcja przenośna dzięki łatwemu montaŜowi i demontaŜowi
w kilka godzin;

–

stabilna praca (brak drgań);

–

moŜliwa instalacja nawet w strefach zurbanizowanych;

–

znacznie uproszczona konstrukcja gwarantuje długą Ŝywotność urządzenia;

–

nie wymaga duŜych połaci terenu, aby uzyskać optymalne parametry pracy;

–

estetyczny wygląd - podczas pracy wraŜenie cyklicznej zmiany kształtu, daje
nowe moŜliwości umieszczenia reklam czy teŜ wykorzystania, jako element
scenografii krajobrazu;

–

mała prędkość obwodowa wirnika i jego kształt zapewniają bezpieczeństwo dla
zwierząt i ptaków;

–

szeroki wachlarz moŜliwości ich wykorzystania.

Koszt elektrowni o mocy 2-3 kW wynosi ok. 9,5 tys zł

Tabela 1. Dane techniczne turbin wiatrowych z pionową osią obrotu firmy RMS:

Model:

SWV-

200

SWV-

300

SWV-

500

SWV-

1000

SWV-

3000

SWV-

K10

Moc

znamionowa:

200 W

300 W

500 W

1kW

3 kW

10 kW

Napięcie

znamionowe:

12 DC

24 DC

24DC

48 DC

110

Stan przy

prędkości

wiatru:

2 m/s

Moc

znamionowa

przy prędkości

wiatru:

10 m/s

12 m/s

Zakres pracy:

4-25

m/s

4-25

m/s

4-25

m/s

4-25

m/s

4-25

m/s

4-25

m/s

Granica

bezpieczeństwa:

40 m/s

50 m/s

Szerokość

turbiny:

138 cm

180 cm

300 cm

6 m

Wysokość

turbiny:

90 cm

130 cm

220 cm

250 cm

360 cm

6,2 m

Zalecana

wysokość

masztu:

5,5 m

11 m

Waga

(bez masztu):

70 kg

90 kg

130 kg

180 kg

500 kg

1700

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,  układami  sterowania,  co  zwiększa  koszt
inwestycji.

Bezpośrednie wykorzystanie energii wiatru do ogrzewania.

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. Energia elektryczna pozyskana głównie w nocy i zimą
z  elektrowni  wiatrowej  moŜe  wydatnie  przyczynić  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,  posiadający  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  sprowadzał  się  będzie  do  połączenia  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 itd.

W duŜym uproszczeniu konstrukcję moŜna podzielić na trzy podzespoły:

maszt stalowy o wysokości ok. 6-10 m zamocowany do fundamentu
betonowego śrubami lub konstrukcja stalowa do mocowania na dachu;

prądnica synchroniczna w obudowie stalowej mocowana śrubami do konstrukcji
nośnej. Prądnice produkowane w Polsce, posiadają róŜne zakresy mocy.
Urządzenia te są stosunkowo tanie (5 kW ok. 3 tys zł.);

wirnik silnika wiatrowego karuzelowego lub rotorowego połączony z prądnicą
sprzęgłem a obudowa skręcona z konstrukcją nośną.

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,  rozsądnym  jest  wykorzystanie  energii  elektrycznej  do  ogrzewania  c.w.u.,
wspomagania  c.o.  w  budynkach  mieszkalnych.  Propozycja  ta  jest  sensowna  i  naleŜy
Ŝywić nadzieję, Ŝe znajdą się producenci tych urządzeń, jak równieŜ ich odbiorcy. NaleŜy
zdawać sobie sprawę z tego, iŜ jest to skala mikro, jednak potrzebna, gdyŜ stworzy nowe
miejsca pracy w Polsce oraz zmniejszy koszty ogrzewania w naszych domach.

Małe elektrownie wiatrowe mają szansę znaleźć swoje miejsce na rozwijającym się

rynku alternatywnej energii. Dzięki prostej budowie, łatwemu montaŜowi i niewielkim
kosztom, jest szansa, Ŝe w przyszłości będą eksploatowane na duŜą skalę przez
indywidualnych odbiorców.

Wybrane wyniki badań elektrowni wiatrowej ECO-H-1,5 kW.

Celem badań była analiza pracy prądnicy synchronicznej wykorzystywanej w MEW.

Współpracowała  z  regulatorem,  zespołem  rezystorów,  układem  prostowniczym,  baterią
akumulatorów  o  napięciu  96  V,  falownikiem,  który  na  wyjściu  posiada  napięcie  zmienne
230V.

Rys.

Schemat

blokowy

układu

badań

elektrowni

wiatrowej

mocy

1,5

w laboratorium maszyn elektrycznych w ZSE nr 1 w Krakowie

Siła elektromotoryczna indukowana w maszynie synchronicznej zaleŜy od:

–

parametrów konstrukcyjnych maszyny,

–

strumienia magnetycznego,

–

prędkości obrotowej i wyraŜa się wzorem:

E = c

⋅

n [V]

Rys. 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 powyŜszej charakterystyki 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. Wykres napięcia U=f(I) przy obciąŜeniu

Prędkość synchroniczna prądnicy wynosi n=375 obr/min, częstotliwość f = 50 Hz.

Ze wzoru:

60 · f

obr

min

wynika, Ŝe liczba par biegunów wynosi:

60 · f

60 · 50

375

Częstotliwość indukowanego napięcia wyraŜa się wzorem:

p · n

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 urządzenia
te  wygenerują  napięcie  o  parametrach  U=230  [V],  f=50  [Hz].    W  obwód  elektryczny
badanej  elektrowni  wiatrowej  włączono  3  rezystory  połączone  w  gwiazdę.  Zadaniem  ich
jest  odbierać  energię  elektryczną  z  prądnicy  i  zamieniać  ją  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 wykreślono 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 pomiarów
moŜna stwierdzić, Ŝe badana prądnica w zakresie pracy od biegu jałowego do obciąŜenia
znamio-nowego  charakteryzuje  się  stałością  napięcia  (  w  literaturze  fachowej  ten  typ
charakterystyki  nazywany  jest  „  charakterystyką  sztywną”).  Napięcie  znamionowe
prądnicy  wynosi  U

=196 V, prąd znamionowy I

=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,  porównywano  je
z  przebiegiem  napięcia  w  sieci.  Po  dokonaniu  analizy  wyników  pomiarów  wnioski,  jakie
w swych sprawozdaniach zamieścili uczniowie Szopa Marcin i Ochmański Piotr z klasy IVE
w ZSE nr 1 w Krakowie pokrywają się z danymi katalogowymi badanej prądnicy.

Nauczyciel w ZSE nr 1 w Krakowie mgr inŜ. Ryszard Tytko

Poseł na Sejm RP mgr inŜ. Adam Gawęda