Własna elektrownia wiatrowa na dachu

Czego dowiesz się z artykułu?

• Ile prądu produkuje maksymalnie turbina wiatrowa?
• Jakie są wymagania dotyczące budowy i montażu przydomowej siłowni wiatrowej?
• Jaką turbinę wiatrową wybrać na potrzeby gospodarstwa domowego?
• Jak wykorzystać najlepiej prąd z domowej turbiny wiatrowej?
• Jak najlepiej wykorzystać energię z fotowoltaiki i turbiny wiatrowej?

Potencjał energetyczny wiatru

Ilość pozyskiwanej energii elektrycznej z wiatru zależy przede wszystkim od jego średniorocznej prędkości, a w Polsce pod tym względem występuje znaczne zróżnicowanie zależnie od regionu. Wpływ na efektywność wytwarzania energii ma również ukształtowanie terenu oraz inne przeszkody naturalne i sztuczne.

Według wieloletnich pomiarów średnia prędkość wiatru na większości powierzchni Polski wynosi 2,8-3,5 m/s, ale są też obszary - głównie nadmorskie - gdzie wietrzność przekracza 5 m/s. W poszczególnych miesiącach roku prędkość wiatru utrzymuje się na podobnym poziomie choć w okresie zimy obserwuje się największe wartości, wyższe nawet o 20% w porównaniu sezonem letnim.

Na potrzeby przygotowania lokalizacji turbin wiatrowych opracowano ogólne mapy określające potencjalne możliwości wykorzystania energii wiatrowej wyznaczając obszary klasyfikowane do jednej z pięciu stref, zależnie o możliwych do pozyskania efektów energetycznych.

Większość obszaru kraju zapewnia uzyskanie korzystnych (strefa II) i dość korzystnych (strefa III) warunków wiatrowych, co w terenie otwartym na wysokości 30 m pozwala na zysk energetyczny rzędu - odpowiednio 1000 kWh/m² i 750 kWh/m² z powierzchni koła wiatrowego w ciągu roku.

W skali przydomowych elektrowni wiatrowych rzeczywiste zyski energetyczne będą zdecydowanie mniejsze, ale w regionach ze średnioroczną prędkością wiatru na poziomie 4 m/s z generatora wiatrowego o mocy 1 kW rocznie można pozyskać nawet do 950 kWh energii.

Wymagania dotyczące budowy i montażu przydomowej siłowni wiatrowej

Budowa przydomowej siłowni wiatrowej składającej się z oddzielnego masztu osadzonego na gruncie wymaga uzyskania pozwolenia na budowę, poprzedzonego licznymi uzgodnieniami. Dlatego w praktyce indywidualne siłownie umieszczane są na dachu, gdzie można nawet bez zgłaszania zamontować konstrukcję o wysokości do 3 m. Dzięki temu ograniczymy też nakłady finansowe na budowę masztu, ale zamontowana siłownia nie może mieć mocy większej niż ok. 2 kW.

Wynika to z wymiarów koła wiatrowego o średnicy ograniczonej do ok. 2 m, które ze względu na unikniecie zawirowań strug powietrza powinno obracać się ok. 1 m ponad powierzchnia dachu czy innych elementów na podłożu. Dzięki takiej lokalizacji uzyskuje się korzystne warunki przepływu powietrza - im wyżej tym wiatr silniej wieje - a wiatrak nie przeszkadza w zagospodarowaniu terenu.

Oczywiście w istotne jest też lokalne ukształtowanie terenu i sąsiednich obiektów czy zadrzewienia - określane jako szorstkość otoczenia - co może mieć wpływ na utrudnianie swobodnego przepływu powietrza. 

Wybór rodzaju siłowni wiatrowej

Najczęściej wykorzystywanym rodzajem wiatraka są konstrukcje z wirnikiem o osi poziomej wyposażone w trzy łopaty. Ten rodzaj siłowni nazwany HAWT uzyskuje najwyższa efektywność wytwarzania energii w szerokim zakresie prędkości wiatru.

Optymalny do zamontowania na dachu wiatrak o mocy 2 kW ma wirnik o średnicy ok. 2 m, a wokół masztu musi być zapewniona wolna przestrzeń pozwalająca na obrót głowicy w pełnym zakresie 360°.

Typowe miejsce zainstalowania takiego wiatraka to wysunięty na przedłużeniu kalenicy wspornik z zamocowanym do niego masztem. Alternatywnym miejscem zamontowania może być również komin, pod warunkiem, że nie poprowadzono w nim kanałów dymowych czy spalinowych.

Znacznie mniej popularne są siłownie wiatrowe z osią pionową typu VAWT, produkowane w wielu wersjach ukształtowania łopat wirnika. Ze względu na niska efektywność - zwłaszcza przy małych prędkościach wiatru - wykorzystywane są jedynie jako wspomagające zasilanie np. oświetlenie awaryjne o małej mocy i instalowane w miejscach o ograniczonej powierzchni dyspozycyjnej.

Niezależnie od typu wiatraka prąd wytwarzany jest przez generator trójfazowy prądu zmiennego, zawierający układ prostowniczy i regulator napięcia na 12 V lub 24 V i utrzymuje stałe parametry pracy niezależnie od prędkości obrotowej turbiny dzięki układowi regulacji MPPT.

Jak wykorzystać prąd z wiatraka?

Przyjmując optymalną moc nominalną turbiny wiatrowej na poziomie 2000 W oraz wytwarzane napięcie 24 V pozyskaną energie elektryczną można wykorzystać magazynując ją bezpośrednio lub przetworzyć na parametry prądowe umożliwiające zasilanie typowych urządzeń elektrycznych (230 V AC). Do bezpośredniego magazynowania energii przetworzonej w ciepło wystarczy wykorzystać izolowany zbiornik typu bojler z wyposażony w grzałką niskonapięciową (na 24 V).

Choć ładowanie ciepłem będzie przebiegać z różną intensywnością zależnie od aktualnie wytwarzanej mocy to w pewnym przybliżeniu można określić wielkość zbiornika i temperaturę podgrzewanej wody. Nominalną moc wytwarzanej energii elektrycznej turbina uzyskuje przy prędkościach wiatru w granicach 10-13 m/s, a z taka intensywnością lub większą, wiatry wieją stosunkowo krótko.

Falowniki hybrydowe Fronius z technologią Multi Flow w połączeniu z akumulatorami firm BYD i LG Chem pozwalają na pozyskanie energii z kilku źródeł, optymalne jej wykorzystanie na potrzeby własne i magazynowanie. fot. Fronius

Korzystając z tabel meteorologicznych można znaleźć średnią miesięczna prędkość wiatru w swojej okolicy, która najczęściej wynosi 3-5 m/s co pozwoli na wyznaczenie średniej mocy wiatraka.

Dla typowych konstrukcji typu HAWT z trzema łopatami średnia moc stanowić będzie wartość 1/8-1/5 mocy nominalnej czyli dla turbiny 2 kW odpowiednio 250-400 W. W cyklu dobowym wartości te mogą być jeszcze mniejsze, dlatego w przypadku konieczności dogrzewania powinna również zamontowana grzałka zasilana z sieci.

Funkcjonalne korzystanie z wody podgrzewanej przez wiatrak - przy tych parametrach efektywności - w praktyce pozwoli na podgrzania ciągu doby 100-150 litrów wody do temperatury ok. 50°C.

Zastosowanie inwertora i buforujących układa zasilania akumulatorów pozwana na zasilanie sieciowych domowych urządzeń, przy czym ich moc będzie ograniczona do aktualnej mocy wytwarzanej przez turbinę wiatrową. Na luksus obciążenia instalacji znacznie większa mocą pozwoli zbuforowanie zasilania energią zgromadzoną w akumulatorach.

W typowym zestawieniu przy napięciu ładowania 24 V i dwóch połączonych szeregowo akumulatorów pojemności 100 Ah każdy, można teoretycznie zmagazynować energię elektryczną na poziomie ok. 2,4 kWh, ale w praktyce wartość ta będzie znacznie mniejsza.

Przykładowo - taki zapas energii będziemy mogli wykorzystać przy obciążeniu prądem o wartości 0,05 C (100 Ah : 20 h = 5A) co przy napięciu 24 V umożliwi obciążenie obwodu mocą 120 W (24 V x 5 A) przez 20 godzin, ale przy większym poborze mocy znacznie zmniejsza się dyspozycyjna pojemność.

Turbina wiatrowa we współpracy z fotowoltaiką

Znaczne sezonowe zróżnicowanie efektywności energetycznej fotowoltaiki można znacząco zredukować zapewniając jej współpracę z elektrownią wiatrową. Jednak ze względu na formalne i techniczne ograniczenia w budowie wiatraków większej mocy, współpraca tych systemów w praktyce ogranicza się do możliwości dogrzewania ciepłej wody przez turbinę wiatrowa okresie zimowym.

W tym czasie efektywność PV jest znikoma, co często nie wystarcza do przygotowania c.w.u. nawet przy znacznej mocy nominalnej paneli. Natomiast turbina wiatrowa z reguły w tym czasie osiąga najwyższą efektywność co pozwoli na utrzymanie pożądanej temperatury wody nawet o znacznej objętości.

Autor: Redakcja BudujemyDom

Opracowanie: Aleksander Rembisz

Zdjęcie główne: depositphotos.com