Przydomowe turbiny wiatrowe jako alternatywne źródła energii

Przydomowe turbiny wiatrowe – stosowanie

Przydomowe turbiny wiatrowe produkują energię elektryczną i w zależności od swojej mocy mogą zasilać zarówno niewielkie odbiorniki pracujące okresowo czy urządzenia domowe, jak i całe obiekty. Często współpracują z panelami fotowoltaicznymi, ponieważ najsilniejsze wiatry występują zwykle w zimnej części roku, a najwięcej światła jest latem. Przydomowe turbiny wiatrowe mogą współpracować z magazynami energii lub przetwarzać energię na bieżąco poprzez inwertery i przekazywać do sieci energetycznej.

Najmniejsze urządzenia o mocy od 10 do 100 W są często wykorzystywane w systemach wyspowych. Pracują z bateriami akumulatorów, np. na jachtach, do wspomagania zasilania urządzeń nawigacyjnych. Mogą zaopatrywać w energię elektryczną alarmy lub napędy bram wjazdowych oddalonych od sieci energetycznej. Na drogach mogą służyć natomiast do zasilania podświetlenia znaków drogowych. Większe rozwiązania o mocy od 200 do 800 W wykorzystuje się do zasilania oświetlenia, np. przejść dla pieszych, reklam przy drodze, placów zabaw, parkingów lub oświetlenia budynków, stacji przekaźnikowych, a czasem drobnego RTV, szczególnie w domach bez zasilana sieciowego, zastępując częściowo lub całkowicie agregaty spalinowe.

Przydomowe turbiny wiatrowe o mocy od 1 do 3 kW stosuje z kolei najczęściej do zasilania odbiorników domowych RTV, AGD lub oświetlenia wymagającego większej ilości energii. W miejscach, gdzie występują okresowe zaniki prądu można stworzyć samowystarczalny system zasilania odbiorników infrastruktury krytycznej (np. GSM), które w przypadku przerw w dostawie energii będą pracowały niezależnie. Rozwiązania te umożliwiają także zasilanie przemysłowych kamer nadzoru na obszarach leśnych z nadajnikami radiowymi. Szczególnym zastosowaniem jest bezpośrednie zasilanie grzałki elektrycznej wspomagającej podgrzewanie wody użytkowej lub c.o.

Urządzenia o mocy od 5 do 10 kW są w stanie zapewnić energię elektryczną dla całych budynków mieszkalnych, łącznie z ogrzewaniem. Mowa tu oczywiście o obiektach z wysokim współczynnikiem efektywności energetycznej. Turbiny o mocy od 20 do 50 kW mogą wspomagać zasilanie gospodarstw rolnych lub niewielkich przedsiębiostw. Urządzania o większych mocach mają zastosowanie wyłącznie komercyjne.

Wykorzystanie energii wiatru wiąże się ze stosunkowo dużymi inwestycjami początkowymi, ale nie wymaga późniejszych wydatków na paliwo. Z tego powodu cena tak wytworzonej energii jest bardzo stabilna, w przeciwieństwie do tej opartej na paliwach kopalnych. W przypadku konsumpcji energii na własne potrzeby, można być niezależnym od zewnętrznych czynników gospodarczych. Żywotność turbin wiatrowych zwykle wynosi ok. 20 lat i nie wynika tylko z warunków eksploatacji, ale przede wszystkim z trwałości konstrukcji i pojawiających się coraz bardziej ekonomicznych rozwiązaniach technologicznych.

Przydomowe turbiny wiatrowe – prawo budowlane i montaż

W zależności od rodzaju i wielkości turbin wiatrowych może być wymagane pozwolenie na budowę. Zgodnie z prawem budowlanym stawiając dowolną konstrukcję, należy zachować odległość 4 m od granicy działki. Branża czeka na zmianę prawa, aby konstrukcje, których oddziaływanie nie przekracza obrębu działki, mogły być montowane bez pozwolenia budowlanego. Wtedy maksymalna wysokość masztu mogłaby odpowiadać jego odległości do granicy działki. Obecnie tylko urządzenia instalowane na wysokości do 3 m nie wymagają żadnej zgody. Można je montować na gruncie lub na dachu budynku.

Trzeba jednak zauważyć, że na wysokości 3 m od ziemi nie ma zwykle wystarczająco silnego wiatru do efektywnego zasilania turbin, a dodatkowo, że na takiej wysokości szybko kręcące się turbiny wiatrowe mogą stanowić niebezpieczeństwo dla zdrowia i życia ludzi. Z kolei montaż większych modeli na dachach wiąże się z przenoszeniem drgań na konstrukcję budynków. Mając to na uwadze, przydomowe turbiny wiatrowe instaluje się często na konstrukcjach tymczasowych nietrwale zwianych z gruntem, co nie wymaga pozwolenia na budowę, np. na masztach z linami odciągowymi.

Wszystkie konstrukcje z fundamentem wymagają pozwolenia na budowę. Należy zwrócić jednak uwagę, że płyta betonowa, na której najczęściej posadowione są maszty turbin nie musi być fundamentem. Maszt można również przymocować do istniejącego fundamentu budynku i traktować taki obiekt jako całość. Kratownice, stalowe maszty rurowe czy betonowe słupy wirowane, jako obiekty wolnostojące, wymagają co najmniej zgłoszenia budowlanego.

W przypadku konstrukcji o wysokości całkowitej większej niż 30 m wymagane są zgody lotnictwa i przeprowadzenie badań oddziaływania na środowisko. Dodatkowo turbiny wiatrowe wyższe niż 30 m, obowiązuje w Polsce ustawa określająca minimalną odległości od zabudowań, która wynosi 700 m (zastąpiła minimalną odległość równą dziesięciu wysokościom masztu – 10H), dlatego jedynie montaż największych dostępnych urządzeń ma obecnie uzasadnienie ekonomiczne, bowiem koszty przygotowania inwestycji dla turbin 100 kW czy 2 MW będą podobne. Co ważne, instalując takie turbiny wiatrowe (farmy wiatrowe) wymagane jest najczęściej wykonanie przyłącza sieciowego do instalacji wysokiego napięcia.

Rodzaje turbin wiatrowych i ich wydajność

W polskich warunkach wietrzności przydomowe turbiny wiatrowe inne niż klasyczne trzy łopatkowe nie mają żadnego sensu ekonomicznego. Szczególnie modele o pionowej osi obrotu są mniej wydajne, a dodatkowo najczęściej droższe. Jest to o tyle istotne, że ze względu na różny wygląd parametry turbin o pionowej osi obrotu przedstawione na papierze są trudne do porównania.

Istotą produkcji energii z wiatru nie jest kształt urządzenia tylko jego wielkość. Praw fizyki nie da się przeskoczyć, a we wzorze na energię wiatru nie ma parametru „kształt”. Jedynymi istotnymi zmiennymi są prędkość wiatru i powierzchnia na jaką on napiera:

P = ½ · ρ · A · V,

gdzie: P – moc [W],
ρ – gęstość powietrza [kg/m³] (ok. 1,225 kg/m³ na poziomie morza),
A – powierzchnia, przez którą przelatuje wiatr,
V – prędkość [m/s].

Na moc wiatru najważniejszy wpływ mają prędkość wiatru (podwojenie prędkości wiatru zwiększa ośmiokrotnie wartość mocy) oraz powierzchnia, przez którą on przelatuje (dwukrotne zwiększenie promienia łopat skutkuje czterokrotnym zwiększeniem mocy). Przykładowo, dla popularnej turbiny 2 kW średnica wirnika wynosi ok. 3 m, a powierzchnia przez jaką przepływa wiatr to nieco ponad 7 m². Jasne jest, że nie jest możliwe, aby mniejszy model również oferował 2 kW. Jednak na rynku można spotkać oferty urządzeń o wymiarach zbliżonych do średnicy 1 m, zapewniające rzekomo moc na poziomie 3 kW. To jawne oszustwo, dlatego należy zachować ostrożność.

Można oczywiście teoretyzować i spierać się na temat wyższości jednego rodzaju turbin nad innymi, jednak praktycznie wszystkie instalowane komercyjne turbiny mają klasyczny wirnik trzy łopatowy.

Przydomowe turbiny wiatrowe – dobór wielkości instalacji do potrzeb

Planując inwestycję w przydomowe turbiny wiatrowe należy mieć świadomość, że nie generują one stałej ilości energii. Produkcja zależy wyłącznie od prędkości wiatru w danym miejscu i czasie, dlatego należy założyć w jakim celu i w jaki sposób energia ma być wykorzystywana. Rozważyć trzeba trzy możliwości:

• produkcja energii z turbin wiatrowych wpiętych do sieci energetycznej na bieżące potrzeby i odsprzedawanie nadwyżek do zakładu energetycznego (rozlicznie bilingowe),
• produkcja energii na własne potrzeby, z wykorzystaniem magazynu energii z lub bez wysyłania nadwyżek do sieci energetycznej, z możliwością dobierania brakującej energii z sieci,
• produkcja energii wyłącznie na potrzeby zasilania konkretnych urządzeń bez wpięcia do sieci energetycznej, z wykorzystaniem magazynu energii.

Pierwszy przypadek jest o tyle prosty, że wystarczy oszacować ilość energii jaką zużywają podłączane odbiorniki. W przypadku instalacji domowej należy odczytać dane z rachunku za energię elektryczną lub przyjąć zużycie na podstawie podobnego obiektu. Dodatkowo mając informacje na temat prędkości wiatru w danej lokalizacji można wyliczyć moc turbiny, która będzie w stanie, w danych warunkach pokryć zapotrzebowanie na energię. Przykładowo, jeśli zużycie energii w domu wynosi 5000 kWh rocznie (ok. 420 kWh miesięcznie), a średnia prędkość wiatru w przewidywanej lokalizacji wynosi 5,5 m/s, to z charakterystyki turbiny wiatrowej można odczytać, ile energii jest ona w stanie wyprodukować w ciągu roku. Należy oczywiście pamiętać, że rozliczając się z zakładem energetycznym, odsprzedana (niewykorzystana) nadwyżka energii zostanie zwrócona tylko częściowo w okresie, kiedy turbina nie będzie pracować z odpowiednia mocą. Mając to na uwadze, trzeba dobrać większą moc turbiny albo ponosić koszty brakującej energii.

Dla każdego budynku, a tym bardziej dla każdej lokalizacji warunki mogą być zupełnie inne i dlatego instalacje należy rozważać indywidualnie. Trzeba jednak zaznaczyć, że jeżeli średnia prędkość wiatru w miejscu inwestycji nie przekracza 4 m/s to instalacja turbiny nie będzie opłacalna.

Drugi przypadek jest bardzo podobny, ale korzystając z własnego magazynu energii nadprodukcję z jednego okresu można zmagazynować i wykorzystać na własne potrzeby innym czasie. Magazyn energii zapewnia również niezależność energetyczną, oczywiście nie gwarantuje to 100% własnego zasilania, ale umiejętnie gospodarując energią można w dużym stopniu ją osiągnąć.

Własny magazyn energii jest wygodnym, ale bardzo kosztownym rozwiązaniem. Istotną kwestią jest jego trwałość. Przyjmuje się, że wysokiej jakości akumulatory litowe zapewniają ok. 6000 pełnych cykli ładowania i rozładowania. Niestety nie lubią one permanentnego stanu rozładownia, ani 100-procentowego naładowania. W przypadku magazynów energii o małej pojemności okresy ładowania i rozładowania będą bardzo szybko następowały po sobie, co skutecznie skróci żywotność urządzeń. Dlatego powinny one mieć pojemność proporcjonalną do mocy źródła energii, aby w czasie ładowania mogły przyjmować energię przez wiele godzin, a w czasie bezwietrznym oddawać ją do odbiorników, bez konieczności częstego osiągania skrajnych poziomów naładowania. Przykładowo, turbiny wiatrowe o mocy 2 kW mogą teoretycznie wyprodukować 2 kW energii w ciągu godziny (w praktyce wiatr nigdy nie jest tak stały, żeby przez godzinę wiać równo z taką samą mocą, ale w czasie silnego wiatru turbina może też okresowo wytwarzać nieco więcej mocy niż wynosi jej wartość znamionowa), więc skoro naładowanie magazynu 2 kWh zajmuje godzinę, to sensowne jest zastosowanie modelu 10 kWh (bufor na 5 godzin). W przeciwnym razie, po krótkim czasie, magazyn zostanie naładowany, a turbina wiatrowa będzie pracowała jałowo lub ewentualnie przekaże nadwyżki do sieci po niezbyt korzystnym kursie rozliczenia.

Trzeci przypadek najczęściej dotyczy sytuacji, w których dostęp do sieci energetycznej jest niemożliwy lub bardzo kosztowny lub nieadekwatny, ponieważ pobór energii jest niski, np. zasilanie oświetlenia reklamy w polu, przez które przebiega droga szybkiego ruchu, zasilanie stacji przekaźnikowej monitorującej pogodę w górach czy domku letniskowego umiejscowionego na terenie niezurbanizowanym. O ile zasilanie jest kluczowe, to dla poprawnego działania systemu niezwykle istotne jest dobranie mocy źródła energii z nadmiarem w stosunku do mocy pobieranej przez odbiorniki lub zastosowanie akumulatorów o odpowiedniej pojemności. W rozwiązaniach komercyjnych krytycznych, żeby zagwarantować zasilanie przez całą dobę w okresie letnim i zimowym często stosuje się 16-, a nawet 20-krotnie większą moc źródła energii w stosunku do mocy pobieranej przez odbiorniki, a także magazyn energii, który jest w stanie zasilać te odbiorniki nawet przez 7 dni. Z odbiornikami niekrytycznymi wspomniany problem nie występuje.

Akumulatory wykorzystywane do rozwiązań podtrzymania zasilania mają zwykle tak ustawione parametry, żeby w przypadku ich wyczerpania pozostała jeszcze pewna ilość energii potrzeba do obsługi urządzeń elektronicznych odpowiadających za działanie samego systemu sterownia ładowaniem/rozładowaniem. W przypadku klasycznych akumulatorów kwasowych 12 V pozostawienie ich w stanie rozładowania wieczorem skutkuje nad ranem najczęściej ich uszkodzeniem, ponieważ urządzenia sterujące stale pobierają niewielką ilość energii. W celu uniknięcia awarii należy bezwzględnie pozostawić odpowiednio duży bufor pozwalający utrzymać zasilanie urządzeniami sterującymi.

Przydomowe turbiny wiatrowe – bezpieczeństwo i zdrowie

Hałas jest kluczowym czynnikiem, który może zdecydować o wyborze lub rezygnacji z inwestycji w przydomowe turbiny wiatrowe. Same urządzenia nie są jednak głośne, a przynajmniej nie na tyle, żeby mogły być uciążliwe dla osób przebywających w pobliżu. W dużych modelach występuje efekt lokomotywy parowej (wielka łopatka przelatująca w pobliżu masztu spręża powietrze, co wywołuje słyszalny efekt „puff” przy każdym takim przelocie), ale w odległości większej niż 100 m jest niesłyszalny. Hałas związany z turbinami wiatrowymi stanowił problem w późnych latach 90., kiedy do Polski trafiało wiele zdemontowanych na zachodzie, wyeksploatowanych urządzeń. Obecnie nie ma to miejsca. Przydomowe turbiny wiatrowe są tak konstruowane, żeby hałas nie był uciążliwy dla otoczenia.

Co ważne, istnieje też przekonanie, że przydomowe turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu pracują ciszej. To rzeczywiście prawda, ale dotyczy wyłącznie modeli, które kręcą się bardzo wolno, typu Savoniusa. Są one niestety najmniej wydajne. Żeby turbiny wiatrowe pionowe typu Darieusa pracowały efektywnie, muszą kręcić się z prędkością większą od prędkości wiatru, a w związku z tym same wytwarzają hałas większy niż wiatr, natomiast nie osiąga on wysokich poziomów.

Jeśli chodzi o aspekt pola magnetycznego, to oddziaływuje ono maksymalnie na kilka centymetrów, dlatego nie ma żadnego wpływu na organizmy żywe znajdujące się w większej odległości. Efekt migotania może być rzeczywiście najbardziej irytującym zjawiskiem przy pracy turbin, ale właściwe dotyczy on tylko dużych modeli. Małe kręcą się na tyle szybko, że praktycznie nie widać śmigieł, wiec wspomniany efekt nie występuje.

Bezpieczeństwo samej konstrukcji turbin to już zupełnie inna kwestia. Niestety, niewłaściwie zamontowane lub eksploatowane urządzenia mogą ulec uszkodzeniu. Dlatego tak ważne jest, aby montaż był realizowany przez wykwalifikowane zespoły instalatorów, a przeglądy wykonywane zgodnie z harmonogramem.