Montaż masztu małej siłowni wiatrowej

Wstęp

Małe elektrownie wiatrowe montowane na, lub przy budynkach jednorodzinnych, pensjonatach, itp., mają z reguły niewielkie moce, rzadko przekraczające 10kW. Nawet tak mała moc wymaga dość solidnego zamocowania. Ciężar turbiny zależy tutaj w dużej mierze od jej typu i oczywiście mocy nominalnej, która z kolei zależy w ogromnej mierze od pola powierzchni zataczanego przez obracające się płaty. Podam tutaj przykład tylko jednej siłowni ECOROTE. Dla modelu o mocy 300W, masa samej jednostki, bez masztu wynosi około 48kg. Turbina o mocy 1500W ma już 155kg masy, a o mocy 9800W, aż 950kg. Tak duża rozpiętość mas jest związana z zupełnie innymi przekrojami i wymiarami płatów, tym samym bardziej masywną ich konstrukcją. Bezpieczne zamontowanie turbin wymaga odpowiedniej konstrukcji wsporczej o wymaganej nośności, z kolei skuteczna i wysokowydajna praca, odpowiedniej ich wysokości. Im wyżej zamocowana jednostka, tym większy i bardziej stabilny w ciągu roku wiatr. Pisałem już na ten temat tutaj. Poniżej chciałbym się skupić na samych konstrukcjach masztów. 

Trochę przepisów

Prawo dość szybko w naszym kraju jest modyfikowane, dlatego każdy taki tekst należy weryfikować z najnowszymi rozporządzeniami. Artykuł pisany jest na początku 2023 roku, a to rok wyborów i pewnie jeszcze niejedno się zmieni.

Według Prawa Budowlanego, pozwolenia na budowę nie wymagają maszty nie posiadające własnych fundamentów, zamocowane np. na linach odciągowych. Nie wymagają też pozwoleń turbiny zamocowane na ścianie budynku, czy dachu, jeśli nie wystają poza obręb budynku na więcej niż 3m. Urządzenia takie nie mogą ingerować w konstrukcję dachu, bowiem wszelkie zmiany konstrukcji dachu wymagają uzyskania pozwolenia na budowę na zasadach ogólnych. Jeśli chcemy postawić urządzenie na jego własnych fundamentach, niezbędne staje się pozwolenie na budowę, a po ukończeniu inwestycji również pozwolenie na użytkowanie.

Pamiętajmy, że w każdym takim wypadku należy sprawdzić czy na naszej działce obowiązuje gminny plan zagospodarowania przestrzennego terenu. Nie uzyskamy pozwolenia, jeśli obiekt będzie sprzeczny z takim planem. Jeśli plan nie obowiązuje, to przed złożeniem wniosku o pozwolenie, trzeba zdobyć decyzję o ustaleniu warunków zabudowy (art. 59 ustawy o planowaniu). Czy jest jakiś wymóg odnośnie minimalnej odległości od budynku siłowni wiatrowej? Otóż mikroinstalacje, czyli siłownie o mocy <50kW, nie podlegają ustawie odległościowej i takiego przepisu nie ma. Jest natomiast minimalna odległość masztu od granicy działki i musi być ona większa niż jego wysokość. Jest ona liczona od ziemi do najwyższego położenia łopaty wirnika.

Więcej przepisów tutaj: https://www.prawo-budowlane.info/przydomowa_elektrownia_wiatrowa_informacje_prawne,57,material_prawo_budowlane.html

Jeśli przepisy ustawy zostaną zmodyfikowane zgodnie z zapowiedziami, budowa masztów o wysokości do 12m ma się odbywać bez pozwolenia na budowę. Jednocześnie – zgodnie z projektem ustawy – takie inwestycje na etapie zgłoszenia będą wymagały sporządzenia planu sytuacyjnego i projektu architektoniczno-budowlanego. Na etapie rozpoczęcia robót budowlanych konieczne będzie także sporządzenie projektu technicznego i zapewnienie udziału kierownika budowy. Instalacje takie będą podlegały również obowiązkowi powykonawczej inwentaryzacji geodezyjnej.Dodam, że w Niemczech, w Dolnej Saksonii, już od 2022 roku zliberalizowano przepisy budowlane, umożliwiając budowę masztów o wysokości do 15m bez zezwolenia. 

Montaż masztu na ścianie

To rozwiązanie tylko dla małych turbin wiatrowych, o mocy kilkuset W. Obciążenia powstające podczas silnych wiatrów są bowiem bardzo duże i masz zamocowany na ścianie budynku może stanowić dla niej realne zagrożenie. W sieci znajdziemy wiele takich instalacji, są one często wykonywane domowym sposobem, a opisy niewiele mają wspólnego ze sztuka budowlaną. Jak np. sprawdzić, czy ściana wytrzyma? To czysta teoria. Siłownia wiatrowa nie ma nic wspólnego z anteną i stosowanie podobnych masztów i przekrojów uchwytów nie sprawdzi się.

Fot. Po lewej, turbina o poziomej osi obrotu zamocowana na maszcie ściennym własnej konstrukcji (fot. ventus-energia.pl)

Z doświadczeń związanych z pompami ciepła i klimatyzatorami można powiedzieć, że zalecane są tutaj tylko ściany pełne, bez izolacji, o nośności minimum 250 kg/m2. Uchwyt ścienny winien być mocowany na śrubie o odpowiednim przekroju, z kołkiem najlepiej stalowym, zakotwionym  w betonie. Warto w czasie budowy przewidzieć w takim miejscu wieniec ze zbrojeniem. Jeśli nasza ściana nie spełnia odpowiednich wymogów, pozostaje przewiercenie jej na wylot i zastosowanie śrub przelotowych z podkładkami. Rozwiązanie takie znalazłem np. tutaj.

Fot. Masz zamocowany na ścianie o wątpliwej wytrzymałości z izolacją. Zastosowano śruby przelotowe. (fot. www.ogrzewnictwo.pl)

Montaż na dachu

Do montażu masztów na dachu nadają się generalnie dachy płaskie, ze stropem betonowym, o odpowiedniej wytrzymałości. Dach wykonany z betonu zapewnia nie tylko wysoką wytrzymałość, ale też chroni budynek przed niekorzystnymi drganiami generowanymi przez turbiny. Duża masa betonu nie dopuszcza do wystąpienia zjawiska rezonansu, przy niskich drganiach <10Hz.

Zasady ogólne

Dach powoduje turbulencję już swoją własną konstrukcją. Zawirowania powstają na jego krawędzi i uzbrojeniu (kominy, ścianki kolankowe,itp). Dla zapewnienia jak największej wydajności, turbiny należy mocować po stronie nawietrznej, na kierunku najsilniejszych wiatrów dla danej miejscowości, możliwie blisko krawędzi dachu, w strefie ponad obszarem turbulencji. Przyjmuje sie, że obszar ten znajduje się powyżej kąta 30-40°, kreślonego od krawędzi dachu. (rys.). Umieszczenie turbiny blisko krawędzi dachu skutkuje automatycznie niższym masztem i często pozwala znaleźć się poniżej granicy 3m, nie wymagającej pozwolenia na budowę. Co ciekawe, lepszą wydajność wykazują w takich warunkach turbiny o pionowej osi obrotu. Dlaczego tak się dzieje? To efekt kierunku wiatru. Jeśli wieje on pod kątem, turbina o poziomej osi obrotu wykaże mniejszą efektywność, wymaga bowiem prostopadłego wiatru względem wirnika. Turbiny o pionowej osi obrotu mają postać trójwymiarową i wiatr wiejący ukośnie nie ma tutaj wielkiego wpływu na ich wydajność.  

Rys. Obraz turbulencji na krawędzi dachu

Czy warto montować turbiny na dachach domków jednorodzinnych? Zdania są tutaj podzielone, ale obiektywnie rzecz biorąc odradzam tego typu rozwiązanie. Według firmy VIRTECH skuteczny i wydajny do produkcji energii wiatr znajduje się w terenie zabudowanym dopiero na wysokości około 20m. Instalowanie turbin na budynkach użyteczności publicznej ma więc w tym wypadku sens, podczas gdy takie same turbiny na budynkach niskich wykażą dużo mniejsza sprawność, znacznie odbiegającą od danych producenta.

Ogólne zalecenia:

  • Średnica wirnika małej turbiny wiatrowej montowanej na budynkach mieszkalnych nie powinna przekraczać 2,5m.
  • Turbinę i maszt należy tak zlokalizować, aby w razie złamania masztu całość spadła na wydzielony pusty teren.
  • Nie zaleca się montowania na dachach turbin z poziomą osią obrotu. 

Montaż

W zależności od dostępnej powierzchni i masy siłowni wiatrowej możliwe są tutaj różne rozwiązania, np.:

  • montaż na konstrukcji kratownicowej
  • montaż na maszcie z odciągami linowymi

Montaż na konstrukcji kratownicowej jest jednym z popularniejszych systemów montażowych dla siłowni o pionowej osi obrotu. Kratownica zapewnia dużą wytrzymałość i nie zajmuje zbyt wiele miejsca na dachu. .  Na zdjęciu poniżej przykłady montażu siłowni Hipar.

Fot. Przykłady montażu turbin wiatrowych na dachu płaskim, na konstrukcji kratownicowej (fot. ecorote.com.pl).

 Montaż na masztach z linami jest mniej popularny. Zwykle całą wysokość turbiny przekracza tutaj 3m i wymaga pozwolenia na budowę. Liny kotwiące stabilizują maszt w trzech kierunkach. Rozmieszczone są co 120 stopni. Na zdjęciu poniżej rozwiązanie z warszawskiego Ursynowa. Dwie siłownie o pionowej osi obrotu, każda o mocy około 2,5kW. Według wyliczeń projektanta, roczna produkcja miała wynieść 8MWh (z obu jednostek). W ciągu pierwszego roku pracy osiągnięto 7700 kWh, a więc przewidywania się sprawdziły niemal idealnie. Jest to przykład pozytywnej realizacji siłowni wiatrowej na budynku. Na zdjęciu widać tylko fragment otoczenia. Budynek ratusza jest na nim dość mocno oddalony od innych zabudowań, jednocześnie bloki o większej wysokości znajdują się dopiero kilkaset metrów dalej i nie wpływają na pracę turbin.  

Fot. Turbiny na dachu ratusza na warszawskim Ursynowie zamocowane na masztach z odciągami linowymi.

Montaż na gruncie

W przypadku montażu turbiny na gruncie, musimy się liczyć z koniecznością uzyskania pozwolenia na budowę. Turbina w tym wypadku musi być posadowiona w obszarze niezakłóconego wiatru, a to wymaga masztów o wysokości 10 i więcej metrów.

Rys. Obszar wiatru laminarnego, przy montażu turbiny na gruncie (źr. P. Gipe, Wind power for home and business)

Na rys. powyżej pokazano obszar turbulencji wywołanych szorstkością terenu (zabudowa, drzewa). Jak widać, najlepszym miejscem do montażu, jest obszar przed budynkiem, po stronie najkorzystniejszego wiatru. Po stronie zawietrznej obszar ten znacznie się oddala od zabudowy i w wielu wypadkach uniemożliwia korzystne warunki instalacji (zbyt małe wymiary działek budowlanych). Wysokość budynków jednorodzinny i drzew waha się od 7-10m. Obszar laminarny pojawia się więc na wysokości około 20m. To bardzo dużo,  zważywszy na klasyczne wymiary działek. Przy założeniu, że minimalna odległość masztu od granicy działki musi być większa od jego wysokości, szerokość działki wzrasta w tym wypadku do >40m.Odległość 20H wymaga z kolei działek o długości ponad 100m.

Turbiny na gruncie mogą być posadowione na masztach:

– z odciągami linowymi

– rurowych, stalowych

– kratownicowych

– betonowych

Maszt z odciągami linowymi

Takie rozwiązanie stosowane jest na ogół dla turbin o maksymalnej mocy do 2kW. Maszt turbiny zamocowany jest na obrotowym sworzniu, umożliwiającym jej postawienie w pionie w tracie montażu. Podstawa wraz ze sworzniem zakotwiona jest zwykle w betonowym fundamencie, którego masa i wymiary zależą od wysokości masztu i masy samej turbiny. Teoretycznie możliwe jest też posadowienie masztu na samej wylewce betonowej, a nawet na utwardzonym gruncie. Masz wzmocniony jest odciągami linowymi rozmieszczonymi co 120 stopni, poprowadzonymi pod kątem od 45-60° względem poziomu. Minimalna ilość lin, to trzy. Zgodnie jednak z normą PN EN 1993-3-1 „Projektowanie konstrukcji stalowych. Wieże maszty i kominy”, ilość odciągów wynika ze współczynnika niezawodności masztu. Wyróżnia się tutaj trzy klasy 1-3, w zależności od miejsca montażu (tabela)

Przy masztach położonych w lokalizacji, gdzie ewentualny upadek może spowodować znaczne straty, należy  projektować odciągi linowe o wysokiej klasie niezawodności.  Zerwanie jednej z lin nie powinno w tym wypadku spowodować utraty stabilności masztu.

Rys. Turbina VAWT zamocowana na maszcie z trzema odciągami linowymi. (rys. generatory-wiatrowe.pl)

Sam maszt w tej technologii może być wykonany z kratownicy, lub rury. W obu przypadkach maszty składają sie najczęściej z osobnych modułów, skręcanych bezpośrednio na placu budowy. Duża wysokość masztu powoduje, że wszelkie operacje związane z montażem turbiny i lin odciągowych wykonywane są na ziemi, a dopiero potem cała konstrukcja podnoszona jest do pionu. Poniżej na rys. maszt w pozycji horyzontalnej i w pozycji roboczej.

Rys. Masz w pozycji roboczej.

Odciągi linowe muszą spełniać wymagania wytrzymałościowe i umożliwiać okresową regulację. Liny w wyniku działania wiatru i temperatury, zmieniają swoje początkowe napięcie i minimum dwa razy w roku trzeba je ponownie napinać. Służą do tego śruby rzymskie. Śruby mocują z jednej strony kauszę liny, a z drugiej szeklę od strony kotwy fundamentowej. Na poniższych ilustracjach przedstawiam komplet mocowań do masztu i przykład uzbrojenia odciągu linowego w pobliżu kotwy.

Rys. Sposób mocowania lin odciągowych do kotwy.

Wadami masztów z odciągami linowymi są:

  • niska wytrzymałość mechaniczna
  • „śpiew” lin przy silnych wiatrach
  • duża ilość miejsca na działce związana z montażem kotw linowych
  • konieczność okresowej regulacji długości lin

Główne zalety, to:

  • lekkość konstrukcji
  • stosunkowo niska cena
  • brak konieczności wykonywania fundamentu ze zbrojeniem (brak pozwolenie na budowę)

Maszt słupowy

Stosowany jest przy większych masach i mocach turbin >3kW. Może być wykonany z betonu, stalowej rury, lub w formie kratownicy. We wszystkich wypadkach wymaga wykonania solidnego fundamentu, tym samym pozwolenia na budowę. Maszt słupowy może być zamocowany do fundamentu śrubami w sposób stały, uniemożliwiający położenie, lub z wykorzystaniem przegubu i hydraulicznych siłowników. To drugie rozwiązanie jest dużo droższe, ale pozwala na okresową konserwację. Jest to też cenna opcja w czasie bardzo silnych, sztormowych wiatrów, grożących uszkodzeniem konstrukcji. Maszt można wtedy bezpiecznie położyć na ziemi.

Maszty kratownicowe są lekkie, ale cała instalacja elektryczna prowadzona jest w sposób odkryty. Stalowe i betonowe są ciężkie, wymagają solidnych fundamentów, ale są jednocześnie bardzo trwałe i  puste w środku, dzięki czemu cała instalacja elektryczna prowadzona jest w sposób kryty, zabezpieczony przed wpływem czynników atmosferycznych.

Fot. Maszt turbiny wiatrowej z hydraulicznym siłownikiem umożliwiającym pionowanie i kładzenie.