W ostatnim czasie turbiny wiatrowe stały się niezwykle modnym i popularnym tematem. W czasach rosnących cen energii świadomość ograniczania lub szukania nowych źródeł alternatywnej energii jest niezwykle ważnym aspektem codziennego życia.
Rozwiązanie tego typu proponowane jest np. przez firmę Building Solution która w swojej ofercie posiada pionowe turbiny wiatrowe. Różnica pomiędzy pionową a poziomą turbiną wiatrową polega głównie na usytuowaniu osi obrotu. W popularnych (poziomych) turbinach wiatrowych, oś obrotu jest usytuowana w poziomie. Z kolei w pionowych turbinach wiatrowych oś obrotu jest usytuowana w pionie. Tym samym pionowe turbiny wiatrowe mogą konkurować z poziomymi i charakteryzują się następującymi zaletami.
TURBINA PIONOWA TURBINA POZIOMA
Zalety Pionowych Turbin Wiatrowych:
-
Nie ma potrzeby użycia masztu: poziome turbiny wiatrowe muszą być zamontowane na maszcie, po to aby złapać odpowiednią siłę wiatru. Jednak pionowa turbina wiatrowa może łapać wiatr z każdego kierunku, bez potrzeby użycia masztu.
-
Wcześniejsze wytwarzanie energii: Pionowe turbiny powietrzne produkują energię przy znacznie mniejszej prędkości wiatru w stosunku do poziomych turbin. Minimalna prędkość wiatru, przy której wytwarzana jest energia wynosi 4m/3 zarówno dla małych turbin 10 W, jak i dużych jednostek powyżej 10 kW.
-
Pionowe turbiny wiatrowe mogą być budowane w miejscach, gdzie większe maszty są zabronione, tak jak miasta.
Turbiny to rozwiązanie dla tych, którzy mają problemy z ogrzewaniem wody lub znajdują się w takim terenie, gdzie podłączenie np. gazu jest praktycznie niemożliwe. Innymi słowy, jeżeli jesteście Państwo oddaleni od tradycyjnych źródeł energii (prąd, gaz), koszty prowadzenia dodatkowej sieci do Państwa budynku są ogromne, to idealnym rozwiązaniem jest przydomowa turbina wiatrowa.
Zasada działania
Turbina zasila bezpośrednio grzałkę w zasobniku na wodę (lub glikol). Jeżeli wiatr wieje bezpośrednio do grzałki przekazywana jest energia elektryczna, która zamieniana jest w ciepło. W taki sposób powstaje ciepła woda z energii wyprodukowanej przez turbinę.
Co w momencie, gdy wiatru nie ma?
Są na to 3 rozwiązania:
1. Możliwość gromadzenia energii w akumulatorach.
2. Możliwość zastosowania systemu hybrydowego z ogniwami fotowoltaicznymi
3. Możliwość zastosowania kolektorów słonecznych
Konfiguracja systemu
System turbiny składa się z następujących elementów:
1. Turbiny wiatrowej.
2. Kontrolera – ma za zadanie stabilizowanie energii wychodzącej z turbiny oraz stanowi jednocześnie system ładujący akumulatory.
3. Akumulatorów – przy systemie off-grid.
4. Inwertera – będącego przetwornicą napięcia stałego na napięcie zmienne sieciowe – 230V.
System On-Grid – zasilanie z turbiny jest bezpośrednio połączone z siecią energetyczną. Ta opcja pozwala na sprzedaż energii i bezpośrednie bilansowanie kupowanej mocy. Do systemu On-grid stosowany jest specjalny inwerter On-grid, który harmonizuje napięcie z turbiny z napięciem sieciowym.
System Off-Grid – system składający się z turbiny, sterownika, akumulatorów i inwertera. System ten ma głównie zastosowanie w domkach jednorodzinnych. W tym systemie energia zgromadzona w akumulatorach jest bezpośrednio przekazywana do odbiorników włączonych w obwód elektryczny turbiny. System Off-Grid można również konfigurować pod kątem podłączenia z siecią. W tej sytuacji są 2 rozwiązania:
a. Brak systemu podłączenia z siecią – w tym wypadku robiona jest druga instalacja – wyprowadzenie kilku gniazdek w domu. Tym sposobem jesteśmy w stanie bezpośrednio włączać urządzenia (telewizor, lodówka, etc.) do zasilania turbiny.
b. Integracja z siecią energetyczną – w tym wypadku stosowany jest specjalny przełącznik, który służy do automatycznego przełączania pomiędzy siecią energetyczną a turbiną. Innymi słowy w momencie braku energii w akumulatorach system automatycznie przełączy się na sieć energetyczną.
Konfiguracja systemu turbiny zależy przede wszystkim od mocy odbiorników, jakie będą włączone w obwód. Dotyczy to także zastosowania turbiny, czyli w jakich celach będzie ona wykorzystywana:
1. System prosty – turbina bezpośrednio zasila urządzenie – w tym wypadku system składa się tylko z turbiny i sterownika. Ten system sprawdzi się tylko wtedy, jeżeli odbiornik będzie zasilany na napięcie stałe o wartościach 12V, 24V czy 48V. Zastosowaniem może być:
- Oświetlenie LED.
- Grzanie wody – bezpośrednie wpięcie turbiny do grzałki w zasobniku na wodę – w tym wypadku grzałka musi być na napięcie stałe.
2. System umiarkowany – podobnie jak w systemie prostym turbina jest bezpośrednio podłączona do odbiornika. Jedyna różnica polega na tym, iż system wyposażony jest w inwerter, który zamienia nam napięcie stałe wychodzące ze sterownika na napięcie sieciowe. Tym samym możemy zasilać urządzenia, które nie wymagają stałego poboru mocy, jak przykładowo grzałka w zasobniku na wodę systemu grzejącego domu.
3. System profesjonalny – system ten charakteryzuje się wszystkimi elementami, jakie występują w systemie umiarkowanym wraz z akumulatorami. Zastosowanie akumulatorów pozwala na magazynowanie energii elektrycznej i wykorzystywanie jej praktycznie wtedy, kiedy będzie ona niezbędna. System ten może posiadać dwa typy podłączenia z siecią poprzednio omówione.
Dobor obciążenia
Dobór obciążenia jest dość istotnym czynnikiem kształtującym późniejszą pracę systemu. Przy zastosowaniu systemu z akumulatorami najważniejszy jest dobór obciążenia, czyli ile kW będą posiadały wszystkie odbiorniki wpinane w obwód turbiny. Dodatkowo bardzo ważnym elementem jest moc inwertera. Moc inwertera musi być co najmniej 20% większa od mocy obciążenia, które będzie dołączone do systemu zasilania turbiny.
Przykład
Moc wszystkich odbiorników wpiętych do systemu wynosi 3 kW. Na podstawie takiej informacji można z całą pewnością stwierdzić, iż moc inwertera musi być na poziomie 3.6 kW. Moc turbiny przy zastosowaniu czterech 150 Ah akumulatorów może być na poziomie 1 kW.
Sprawdzenie zużycia energii przez odbiorniki wpinane do sieci będzie istotne przy doborze wielkości mocy turbiny. Przyjmuje się, iż przy systemie prostym i umiarkowanym opisanym powyżej moc turbiny powinna być większa o co najmniej 2 razy w stosunku do mocy odbiorników podłączonych do obwodu turbiny. W systemie profesjonalnym nie ma takiej zależności, gdyż część obciążenia przejmują akumulatory, które dostarczają energię elektryczną do odbiorników, nawet jeżeli nie ma wiatru. Stąd przyjmuje się, iż moc turbiny powinna być o co najwyżej 30% większa w stosunku do zużywanej mocy przez odbiorniki. Jednakże w praktyce moc turbiny jest taka sama jak moc wszystkich odbiorników.
Wydajność systemu – czas zwrotu z inwestycji.
Wydajność systemu, jak również czas zwrotu z inwestycji są bezpośrednio powiązane z prędkością wiatru w danym rejonie, a także z wydajnością tej prędkości. Aby przekonać się o wydajności wietrznej oraz prędkości wiatru danego miejsca najlepiej przeprowadzić proste badania wietrzności. W związku z tym, iż odnosimy się do małych turbin wiatrowych do przeprowadzenia takiego badania nie będzie niezbędny wysoki maszt, tylko zwykły wiatromierz lub z poziomą osią obrotu, lub z pionową osią obrotu.
Aby wyliczyć z całą pewnością wydajność systemu potrzebna będzie również krzywa wietrzności, która informuje o ilości wytwarzanej energii przy danej prędkości wiatru. Moc turbiny podawana w informacjach technicznych jest mocą nominalną, którą uzyskuje się przy danej prędkości wiatru. Powyżej prędkości nominalnej wiatru dla danej turbiny krzywa wietrzności ulega spłaszczeniu. Innymi słowy powyżej danej prędkości wiatru, która jest inna dla danej turbiny, turbina wytwarza stałą moc, będącą mocą przekraczającą moc nominalną. Tą moc określa się jako moc maksymalną.
Do wyliczenia okresu zwrotu inwestycji przy zakupie danej turbiny niezwykle istotne jest branie pod uwagę nie tylko czynników omówionych powyżej, czyli prędkości wiatru, wydajności wietrznej danego regionu, krzywej wietrzności danej turbiny, ale także a przede wszystkim cen energii za 1 kWh wraz z przesyłem. Należy pamiętać, iż korzystając z energii wytworzonej przez turbinę wiatrową darmowe staje się zarówno produkowanie energii, jak i jej przesył. Należy również brać pod uwagę to, iż dodatkowe opłaty w postaci stałych opłat energetycznych, mocy biernej, etc. muszą być ujęte w kalkulacji. Oczywiście przy zastosowaniu energii z turbiny opłaty te będą zerowe.
Opłacalność inwestycji
Czy zakup turbiny wiatrowej jest w ogóle opłacalny?
Tak, jest opłacalny, ale jego opłacalność zależy przede wszystkim od:
1. Konfiguracji całego systemu.
2. Prędkości wiatru danego regionu.
3. Wydajności wietrznej danego regionu.
4. Krzywej wietrzności turbiny.
5. Ceny energii elektrycznej wraz z wszelkimi opłatami przesyłowymi, etc.
Proszę zwrócić uwagę na fakt, iż przewiduje się, iż energia elektryczna będzie drożeć w czasie. Wskaźnik wzrostu cen energii dla Polski jest przewidziany na ok. 20%. Wiąże się to przede wszystkim ze starą infrastrukturą sieciową, jak również dodatkowymi opłatami za przesył, jakie będą wprowadzane.
Przy wykorzystaniu turbiny np. tylko do grzania wody odpowiedź na pytanie dotyczące zwrotu z inwestycji jest bardzo prosta. Jeżeli naszym głównym systemem grzewczym będzie piec, w którym jesteśmy w stanie palić np. węgiel, drewno i będziemy posiadać zasobnik na wodę z grzałką elektryczną, to podłączając turbinę bezpośrednio do grzałki unikniemy opłaty przyłączeniowej np. za gaz. Wielkość tej opłaty jest różna w zależności od regionu, ale zakup całego systemu turbiny spłaci się w niecałe dwa lata.
Redakcja ekooszczedni. pl na podstawie materiałów z:
Building Solution Sp. J.
Przeczytaj inne artykuły związane z tą tematyką:
Moduły fotowoltaiczne
Turbiny wiatrowe- ekologiczne ogrzewanie
Ogniwa fotowoltaiczne