Elektrownie wiatrowe

Jednym z popularniejszych w czasach gdzie tak bardzo promuje się odnawialne źródła energii jest wiatr,wykorzystywany przez ludzi do różnych celów praktycznie od zarania dziejów. Pierwsze wiatraki służyły głownie do produkcji mąki, przepompowywania wody, natomiast współczesne służą nam do uzyskiwania energii z wiatru, wyłapywanej przez turbiny wiatrowe, przekształcanej w energię mechaniczną, a później na energię elektryczną. Jednak, aby elektrownia wiatrowa mogła powstać konieczne jest w tym celu właściwie wybrane miejsce, w którym notuje się dużą częstotliwość występowania silnych wiatrów. Prędkość wiatr jest więc w tym przypadku czynnikiem determinującym, warunkującym niewyczerpalne pokłady energii.

Małe elektrownie wiatrowe wykorzystywane są najczęściej do zasilania budynków mieszkalnych, rolnych oraz letniskowych. W zależności od zużycia energii oraz dostępnych lokalnie zasobów wiatru, do zasilenia budynku jednorodzinnego może być potrzebna elektrownia wiatrowa o mocy od 800 W do 5000 W. Dla gospodarstw rolnych oraz mniejszych zakładów przemysłowych potrzebne mogą być elektrownie wiatrowe o mocy 10 kW i więcej. Elektrownia wiatrowa jest podłączona do budynku za pośrednictwem falownika, który synchronizuje ją z siecią elektroenergetyczną.

Elektrownia wiatrowa jako zespół urządzeń służących do wytworzenia i magazynowania energii elektrycznej, jak nazwa wskazuje składa się z kilku podzespołów:

Generator

Często mylony z samą elektrownią jest tylko jej częścią i to wcale nie najistotniejszą. Generatory służą jedynie do zamiany energii mechanicznej (najczęściej obrotów wału) na energię elektryczną. Generatory dzielą się na wysokoobrotowe (powyżej 600 obr/min), średnioobrotowe (90-600 obr/min) i wolnoobrotowe (15-90 obr/min). Generator może być zasilany np. przez silnik spalinowy poprzez przekładnię. Wówczas najczęściej stosuje się generatory wysokoobrotowe ponieważ obroty silnika spalinowego są wysokie (rzędu 2500-4500 obr/min). Generator może być też zasilany przez koło młyńskie lub inną wodną turbinę przepływową. Generatory wysokoobrotowe są zdecydowanie tańsze od średnio i niskoobrotowych. Zupełnie bezzasadne jest stosowanie generatorów wysokoobrotowych do elektrowni wiatrowych. Śmigła nie mogą kręcić się z tak wysokimi obrotami i wówczas niezbędnie potrzebna będzie przekładnia. Niestety takie rozwiązanie okupione jest większymi kosztami (przekładnia) i stratami mocy. Lepiej wybrać droższy generator średnio lub niskoobrotowy. Generatory średnioobrotowe stosuje się do mniejszych elektrowni, gdzie łopatki są krótsze i prędkość liniowa końcówek śmigła nie przekracza 250km/h. W przypadku większych prędkości łopatki będą hałasować (wyraźnie świszczeć tnąc powietrze). Generatory wolnoobrotowe stosuje się do dużych łopatek kiedy ich wirująca masa może spowodować rozerwanie poprzez siły odśrodkowe.

Silnik wiatrowy czyli w praktyce wirnik z łopatkami śmigła – najważniejszy element.

W zależności od kształtu łopat występują wirniki o pionowej i poziomej osi obrotu. Ze względu na popularność najczęściej stosowane są tzw. klasyczne wirniki poziome. Ilość łopatek zwykle jest ograniczona do trzech. Wynika to z ekonomiki rozwiązania. Znane są rozwiązania z dwoma łopatami. Ogranicza to nieco koszty ale wpływa na wydajność elektrowni. Bardzo rzadko ale można znaleźć nawet wirnik z jedną łopatą. Trzy łopatki są zwykle kompromisem między ceną a wydajnością. Takie rozwiązania są też dlatego najbardziej popularne. Spotykane są też czasem wiatraki z pięcioma czy sześcioma łopatkami. W naszych warunkach niekiedy zobaczyć można wirniki tzw. Australijskie z dużą ilością łopat (powyżej 12 szt) zwykle wywiniętych z kawałków blachy. Są to bardzo wydajne urządzenia ale niestety skomplikowane w budowie. W zależności od rodzaju (kształtu) śmigła silnik wiatrowy będzie miał różną charakterystykę pracy. Silnik wiatrowy należy tak dobierać, żeby miał on maksymalnie moc taką jaką może wytrzymać generator. Większy silnik wiatrowy może po prostu przeciążyć generator co doprowadzi do awarii (przepalenia generatora). Mniejszy nie będzie w pełni wykorzystywał możliwości generatora.

Kontroler.

Urządzenie, które w praktyce bezużyteczny prąd wytworzony przez generator zamieni na prąd o stałej charakterystyce. Generator wytwarza prąd trójfazowy zmienny niesinusoidalny o napięciu i częstotliwości zależnej od chwilowych obrotów. Kontroler ładowania spełnia funkcję prostownika i stabilizatora napięcia. Kontroler zwykle zabezpiecza też generator przed nadmiernym rozkręceniem i chroni akumulatory przed przeładowaniem. Może też pełnić funkcję kontrolera ładowania z ogniw fotowoltaicznych (tzw. kontroler hybrydowy).

Przetwornica – falownik.

Zamienia prąd stały z akumulatorów na prąd zmienny stosowany do zasilania odbiorników elektrycznych. W naszym przypadku 230V 50hz. Przetwornica powinna być dobrana do możliwości wytwórczych generatora i mniej więcej zgodna z nim napięciowo.

Ze względu na moc elektrownie wiatrowe dzieli się na modele „mikro”, „małe” i „duże”.

Do zasilania domów stosuje się głównie dwa pierwsze rodzaje.

  • Mikroelektrownie wiatrowe to modele poniżej 100 Watów (W) mocy. Używa się ich najczęściej do ładowania baterii akumulatorów stanowiących zasilanie obwodów wydzielonych – tam, gdzie nie ma sieci elektroenergetycznej, lub z jakiegoś powodu nie chce się z niej korzystać. Takie elektrownie można wykorzystać do zasilania przez akumulatory części oświetlenia domu: pojedynczych lamp, a nawet poszczególnych pomieszczeń czy urządzeń.
  • Małe elektrownie wiatrowe to nieco większe modele o mocy od 100 W do 50 kW. Modele z tej grupy mogą zapewniać energię elektryczną w pojedynczych gospodarstwach domowych, a nawet w małych firmach. W warunkach przydomowych najpopularniejsze są elektrownie 3-5 kW. Moc takich elektrowni, wspomagana energią zmagazynowaną w akumulatorach, wystarczy nierzadko do zasilania oświetlenia, układów pompowych, sprzętu i urządzeń domowych.
  • Duże elektrownie wiatrowe (w praktyce powyżej 100 kW), oprócz tego, że mogą zasilać dom, stosowane są przede wszystkim do wytwarzania prądu, który sprzedaje się sieci elektroenergetycznej. Taka elektrownia musi spełniać szczegółowe wymagania lokalnego operatora sieci, potrzebna jest też oczywiście jego zgoda na takie przyłączenie.

 

Zgodnie z przepisami obiekty i urządzenia stanowiące źródła hałasu należy lokalizować tak, by nie naruszały dopuszczalnych poziomów hałasu. Najcichszymi urządzeniami są elektrownie wiatrowe o pionowej osi obrotu, w tym świderkowe.

 

Źródła:
Ładny Dom
Rozporządzenie ministra środowiska z 9 stycznia 2002 r. w sprawie wartości progowych poziomów hałasu – DzU 2002 r., nr 8, poz. 81
http://www.generatory-wiatrowe.pl