Wiadomości wstępne
Małe instalacje prosumenckie stanowią w Polsce pokaźny procent odnawialnych źródeł energii. Zainstalowana w nich moc jest już większa od dużych systemów OZE. W samej fotowoltaice przekroczyła 12,5GW (styczeń 2023). Pod tym względem fotowoltaika wyprzedziła duże siłownie wiatrowe i powoli zaczyna konkurować z nimi o miano największego źródła energii OZE w kraju. Sprawność instalacji PV jest jednak dużo niższa niż wiatrowych, poza tym zawodzi w porze zimowej, jak i w nocy. Z jednego kW zainstalowanej mocy instalacja PV jest w stanie wyprodukować rocznie około 1000kWh energii. Ten sam kW w energetyce wiatrowej lądowej, to już ponad 1500-3000kWh, a w energetyce wiatrowej morskiej nawet ponad 4000kWh na rok. Czemu więc nie słyszymy o powszechnym instalowaniu przydomowych instalacji wiatrowych? Co powoduje lęk przed ich zakładaniem? Czy tylko niejasne przepisy, czy jest coś więcej?
Pewnie nie odpowiem na wszystkie zadane pytania. Postaram się jednak tym artykułem przybliżyć konstrukcje przydomowych siłowni wiatrowych i ich możliwości produkcyjne.
Od czego zależy produkcja energii w przydomowej turbinie wiatrowej?
Panel PV oświetlony pełnym słońcem, padającym na niego pod kątem prostym, zapewnia niemal 100% jego mocy fabrycznej. Jeśli ta moc chwilowa jest mniejsza, to przyczyną może być wysoka temperatura (brak chłodzenia), zabrudzenie, lub po prostu długotrwała praca i proces starzenia się ogniw. W przypadku siłowni wiatrowej najważniejszym czynnikiem jest prędkość wiatru. Moc siłowni wiatrowej zależy bowiem aż w sześcianie od tej wartości. Teoretycznie dwukrotny wzrost prędkości wiatru zwiększa moc siłowni wiatrowej aż ośmiokrotnie. Szukając w sieci konkretnych konstrukcji zachwycamy się ich osiągnięciami w kW, nie zastanawiając się nad tzw. krzywą mocy turbiny. A ona wyraźnie pokazuje zmianę mocy w zależności od prędkości wiatru (rys.)
Powyżej, na obu ilustracjach, pokazano krzywą mocy i związaną z tym tabelę dla turbiny ECOROTE 1500 i mocy nominalnej 1500W. Według wykresu moc ta osiągana jest przy prędkości wiatru około 12m/s. Co ciekawe, w przypadku małych turbin wiatrowych po osiągnięciu mocy nominalnej i dalszym wzrośnie prędkości wiatru, wzrasta też produkcja energii. Tutaj wykres kończy się na 13 m/s, dla których moc wynosi już 2000W. Nie znaczy to, że przy jeszcze większej prędkości moc nie wrośnie. Większość turbin przydomowych, szczególnie o pionowej osi obrotu, potrafi efektywnie pracować nawet przy 25m/s. Generowana moc potrafi wtedy dwukrotnie przekracza moc nominalną. Jest tutaj jednak pewne niebezpieczeństwo. Jeśli wiatr przekroczy 25 m/s, turbina nie przestanie się obracać, nie ma w tym wypadku zmiany kąta natarcia wirnika, jak w przypadku dużych turbin wiatrowych. W pewnym momencie prędkość obrotowa staje się tak duża, że stanowi zagrożenie dla konstrukcji. Generowany jest też coraz większy hałas. Przy bardzo silnym wietrze, burzach, bezpieczniej jest więc taką turbinę zawczasu położyć na ziemi. Umożliwiają to specjalne konstrukcje masztów łamanych (o tym potem). Są tez konstrukcje, które mają ręczny hamulec i pozwalają się zatrzymać.
Co prawda wiatr >25 m/s jest w naszym kraju rzadkością, a co niektórzy producenci zapewniają wręcz, że ich konstrukcja wytrzyma i 40 m/s, ale nie dawałbym takim opiniom wiary. Mierzę wiatr na swojej działce już od kilku lat, mam profesjonalną stację pogody z masztem wysokości 6m. Dwa lata temu, w czasie burzy, chwilowy podmuch wiatru przekroczył 30 m/s i przewrócił dwa drzewa. Być może wirnik wytrzyma taką prędkość, ale w terenie zabudowanym, w czasie burz, wiatr niesie ze sobą cała masę różnej wielkości przedmiotów (połamane gałęzie, zerwaną folię). Żaden wirnik uderzenia przy tej prędkości wiatru nie zniesie bez szkód.
Mówimy o bardzo silnym wietrze, a przecież królują w czasie roku te mniejsze. W moim przypadku średnia prędkość nie przekracza 6 m/s, a zwykle jest nawet mniejsza. Patrząc na wykres mocy odczytamy dla tej prędkości zaledwie 171W. To niewiele ponad 10% mocy nominalnej. Tak naprawdę o tym, ile energii jest w stanie wyprodukować nasza turbina w ciągu roku decyduje histogram prędkości wiatru w danej miejscowości i na określonej wysokości. Danych takich w sieci nie ma, musimy je zebrać sami instalując na działce wiatromierz na maszcie i prowadząc obserwacje przez minimum 1 rok. W sieci znajdziemy natomiast inną ważną wartość, różę wiatru dla naszej miejscowości (rys.)
Rys. Róża wiatru w latach 1966-2007 z procentowa ilością wiatru z danego kierunku.
Dla Lublina (jak widać z rysunku), dominuje wiatr zachodni. Dość duże wartości procentowe mają też wiatry z kierunku południowego i wschodniego. Najmniej popularny jest z kolei wiatr północnowschodni. Jakie ma to znaczenie w planowaniu siłowni wiatrowej na działce? Duże. Siłownie należy mocować w strefach niezakłóconego przepływu wiatru, tzw. laminarnego. Ma on wtedy stabilną siłę, nie ma zawirowań, pojedynczych silnych podmuchów, które wbrew pozorom nie muszą wygenerować energii adekwatnej do prędkości wiatru. Strefa turbulencji zależy od szorstkości terenu, zabudowań, drzew, itp. Przyjmuje się, że strefa laminarna pojawia się co najmniej >dwukrotnej wysokości przeszkody i w odległości od niej zależnej od kierunku wiatru (strona nawietrzna, zawietrzna)
Widać z powyższego rysunku, że po stronie zawietrznej wpływ budynku na zawirowania wiatru wystepuje nawet w odległościach równych 20-to krotności jego wysokości. Po stronie nawietrznej jest to już tylko podwójna wysokość. Jeśli wiatr dominuje z kierunku zachodniego, należy tak planować montaż turbiny, aby na kierunku zachodnim nie znajdowały sie wysokie przeszkody, a jeśli nie jesteśmy w stanie ich uniknąć, należy maksymalnie oddalić położenie masztu. Przy niskim maszcie, nie przekraczającym 10m i budynku o wysokości 8m, strefa optymalnego montażu po stronie zawietrznej pojawi sie dopiero około 100m od tego budynku.
Już z tych rozważań wynika, że usytuowanie turbiny na własnej działce, w miejscu o niezakłóconym przepływie powietrza, jest niemal niemożliwe. Działka taka musiałaby być oddalona od innych zabudowań i mieć bardzo dużą długość. Przy budynku o wysokości jw. i małej działce, maszt musiałby mieć ponad 16 m.
Ile energii jest w stanie wyprodukować turbina przydomowa?
Dobre pytanie, sam chciałbym wiedzieć, bo syn mnie naciska na takie rozwiązanie. Wspomniałem na początku, że siłownia lądowa potrafi z każdego kW wygenerować w ciągu roku nawet 3000kWh. Duża tak, w pobliżu Sadłowa, niedaleko Rypina, jest farma wiatrowa, na której sprawność wynosi niemal 36%. Najgorsze lokalizacje dużych siłowni wymagają minimum 25% sprawności. Inaczej nikt nie bawi się w ich budowę. Jak to się ma do małych siłowni?
Moc siłowni o poziomej osi obrotu pokazuje wzór:
P = Cp x 0,5 x ρ x A x V3
gdzie:
Cp – to współczynnik sprawności turbiny zgodnie z prawem Betza max 0,59, w praktyce od 0,25-0,45
ρ – gęstość powietrza w kg/m3,
A – pole powierzchni zataczanej przez wirnik [m2]
V – prędkość wiatru w m/s
Obszar omiatany przez wirnik (A) jest ważny, ponieważ wirnik wychwytuje energię wiatru. Im większy wirnik, tym więcej energii może przechwycić. Gęstość powietrza ρ zmienia się nieznacznie wraz z temperaturą powietrza i wysokością. Wartości znamionowe turbin wiatrowych są oparte na standardowych warunkach 59° F (15° C) na poziomie morza. Korektę gęstości należy wprowadzić dla wyższych wysokości, jak pokazano na wykresie Zmiany gęstości powietrza wraz z wysokością. Korekta temperatury zazwyczaj nie jest potrzebna do przewidywania długoterminowej wydajności turbiny wiatrowej. Spróbujmy policzyć moc turbiny o średnicy wirnika 1m dla wiatru o prędkości 6 m/s i 10m/s. Przyjmijmy wartość średnią Cp na poziomie 0,35. Gęstość powietrza w temp. 15°C i przy ciśnieniu 1013 hPa, wyniesie 1,1225 kg/m3, stąd
dla v=6 m/s P = 0,35×0,5×1,1225 x π x 12 x 0,25 x 63 = 33,3W
dla V = 10m/s P = 154 W
Aby siłownia generowała naprawdę duże wartości energii, jest wirnik powinien mieć znacznie większe wymiary. Poniżej na rys. przedstawiam pole powierzchni zataczane przez wirniki w zależności od ich średnicy.
Wynika z niego, że moc 3kW przy prędkości wiatru rzędu 10 m/s, osiągnie dopiero siłownia o średnicy wirnika około 5m.
No właśnie, tyle teoria, a co mówi praktyka? Brak rzetelnych danych. Można poczytać tylko o pojedynczych, często nietrafionych inwestycjach. Czy na tej podstawie można wyciągać wnioski? Nie. Niemniej przyjrzyjmy się kilku przykładom.
Turbiny o mocy 6kW, pionowa oś obrotu
Instalacja w pobliżu Koszalina. Obie turbiny na masztach o wysokości 11m oddalone od siebie o 11m. Odległość od budynków, jak na zdjęciu.
Fot. Turbiny zamocowane niedaleko Koszalina (fot. Virtech)
Róża wiatrów wskazuje, że najpopularniejszy jest kierunek na którym znajdują się dwa budynki w odległościach 60m i 75m. Oba o wysokości około 10m. Wygenerowana moc wyniosła w przypadku jednej turbiny 300kWh, a w przypadku drugiej 400kWh, w ciągu 13 miesięcy i okazała się ponad 10 krotnie mniejsza od założonej. Prawdopodobna wina, to zbyt mała odległość między turbinami i od budynków po stronie południowowschodniej. Dodatkowym problemem okazała się awaria jednego z masztów (pęknięcie), w wyniku czego jedna z turbin została rozebrana.
Turbina elewacyjna o poziomej osi obrotu, średnicy wirnika 2m i mocy 1kW (model Ventus Energia 1000)
Tutaj akurat dobrze udokumentowane badania z pracy turbiny w warunkach miejskich, zamontowanej na elewacji budynku AGH w Krakowie. W czasie badań sporządzono histogram prędkości wiatru.
Rys. Histogram prędkości wiatru dla turbiny j.w.
Widać z niego, że dominowały w tym miejscu wiatry o bardzo małej sile, lub wręcz cisza. Biorąc pod uwagę minimalną prędkość rozruchową dla tej turbiny na poziomie 2,3 m/s, większe wiatry wystąpiły w około 40% czasu. Wiatr przy którym turbina wykazuje moc nominalną 10 m/s pojawił się sporadycznie, w październiku. Przy prędkości 12,5 m/s turbina wygenerowała jednak tylko 427W i była to najwyższa zanotowana moc chwilowa. Hałas wytwarzany przez turbinę wahał się w granicach od 45-60dB, przy wietrze do 4m/s. Przy większym poziom hałasu wzrastał średnio 1dB na każdy dodatkowy 1m/s. W badaniach brak całkowitej ilości wygenerowanej energii, ale rzuca się w oczy dużo niższa moc w porównaniu do danych producenta. Pełny artykuł na ten temat pod adresem https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/instalacje-przemyslowe/43868,elewacyjna-turbina-wiatrowa-o-poziomej-osi-obrotu-badania-oraz-wnioski
Na Youtube jest dość dużo filmików pokazujących dokonania domowych instalacji wiatrowych. Oto jeden z nich (https://youtu.be/FcKCPoeSnNI) Turbina miała mieć 400W, przy silnym wietrze wygenerowała 76,5W. Po dwóch tygodniach ciągłego wiatru całkowita produkcja, to 0,75kWh.
Ale są i pozytywne przykłady. W Warszawie dwie siłownie zamocowane na budynku ratusza na Ursynowie o mocy 2kW każda, miały produkować rocznie 8000kWh. Łącznie od lipca 2021 roku do czerwca 2022 roku wyprodukowały 7 691,68 kWh „zielonej energii”, co daje oszczędność 6 172,35 zł. Poniżej zdjęcie i tabela z wyników produkcji energii w poszczególnych miesiącach.
Dlaczego turbiny o poziomej osi obrotu wypadają przy tym tak słabo? Prawdopodobnie winą za ten stan jest zbyt niski ich montaż. Turbiny HAWT najlepiej spisują się przy wietrze wiejącym prostopadle do wirnika. Przy małej wysokości, uzyskanie takiego wiatru jest niemożliwe. Na małych wysokościach występuje szereg turbulencji, przy montażu na dachu, często mamy też do czynienia z wiatrem ukośnym. Taki wiatr nie ma natomiast wielkiego wpływu na turbiny VAWT. Z doświadczeń firm wynika też, że skuteczny i w miarę stabilny wiatr wieje dopiero na wysokości około 20m, zwykle nieosiągalnej dla małych elektrowni wiatrowych przydomowych. Wysokość taka jest natomiast realna dla budynków użyteczności publicznej, gdzie instalacje wiatrowe radzą sobie (jak widać z artykułu) całkiem nieźle.