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 z wiatru energii elektrycznej uzależniona jest od jego średniej prędkości, która w Polsce wykazuje znaczne zróżnicowanie regionalne. Na efektywność wytwarzania energii wpływa również ukształtowanie terenu oraz przeszkody naturalne i sztuczne.

Według wieloletnich pomiarów, średnia prędkość wiatru na większości obszaru Polski wynosi 2,8-3,5 m/s. Istnieją jednak obszary - głównie nadmorskie - gdzie wietrzność przekracza 5 m/s. W poszczególnych miesiącach roku prędkość wiatru utrzymuje się na zbliżonym poziomie, przy czym największe wartości obserwuje się zimą, wyższe nawet o 20% w porównaniu z latem.

Do oceny potencjału energetycznego wiatru opracowano mapy określające strefy o zróżnicowanych możliwościach jego wykorzystania. Większość kraju zapewnia korzystne (strefa II) lub dość korzystne (strefa III) warunki wiatrowe, co w terenie otwartym na wysokości 30 m pozwala na uzyskanie z powierzchni koła wiatrowego rocznego zysku energetycznego rzędu 1000 kWh/m² (strefa II) i 750 kWh/m² (strefa III).

W przypadku przydomowych elektrowni wiatrowych rzeczywiste zyski energetyczne będą zdecydowanie mniejsze. Niemniej jednak, w regionach ze średnioroczną prędkością wiatru na poziomie 4 m/s z generatora wiatrowego o mocy 1 kW można pozyskać rocznie 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. Z tego względu w praktyce indywidualne siłownie wiatrowe najczęściej montuje się na dachu budynku, gdzie bez zgłaszania można zamontować konstrukcję o wysokości do 3 m. Rozwiązanie to pozwala ograniczyć koszty budowy masztu, jednak moc siłowni nie może przekroczyć ok. 2 kW.

Wynika to z ograniczeń konstrukcyjnych - średnica koła wiatrowego nie może przekraczać ok. 2 m, a dla zapewnienia prawidłowego przepływu powietrza i uniknięcia zawirowań strug, musi ono obracać się ok. 1 m ponad powierzchnią dachu lub innych elementów na podłożu. Lokalizacja siłowni na dachu zapewnia korzystne warunki wiatrowe - im wyżej, tym wiatr jest silniejszy - oraz nie ogranicza możliwości zagospodarowania terenu wokół budynku.

Należy jednak pamiętać, że na efektywność działania siłowni wiatrowej istotny wpływ ma również lokalne ukształtowanie terenu, obecność sąsiednich obiektów i zadrzewienia - określane jako szorstkość otoczenia. Czynniki te mogą utrudniać swobodny przepływ powietrza i tym samym obniżać wydajność siłowni.

Wybór rodzaju siłowni wiatrowej

Najpopularniejszym typem wiatraków są konstrukcje o poziomej osi obrotu wirnika wyposażone w trzy łopaty. Ten rodzaj siłowni, nazywany HAWT, charakteryzuje się najwyższą efektywnością wytwarzania energii w szerokim zakresie prędkości wiatru.

Optymalny do montażu na dachu wiatrak o mocy 2 kW posiada wirnik o średnicy około 2 metrów. Wokół masztu musi być zapewniona wolna przestrzeń umożliwiająca swobodny obrót głowicy w pełnym zakresie 360°.

Typowe miejsce instalacji wiatraka to wysunięty na przedłużeniu kalenicy wspornik z zamocowanym do niego masztem. Alternatywnym miejscem montażu może być również komin, pod warunkiem, że nie znajdują się w nim kanały dymowe lub spalinowe.

Znacznie mniej popularne są siłownie wiatrowe z pionową osią obrotu wirnika typu VAWT. Produkowane w wielu wersjach ukształtowania łopat, ze względu na niższą 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 montażowej.

Niezależnie od typu wiatraka, prąd wytwarzany jest przez generator trójfazowy prądu zmiennego. Zawiera on układ prostowniczy i regulator napięcia na 12 V lub 24 V, który 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 i wytwarzane napięcie 24 V, pozyskaną energię elektryczną można wykorzystać magazynując ją bezpośrednio lub przetwarzając na parametry prądowe umożliwiające zasilanie typowych urządzeń elektrycznych (230 V AC).

Do bezpośredniego magazynowania energii w postaci ciepła wystarczy zastosować izolowany zbiornik typu bojler wyposażony w grzałkę niskonapięciową (na 24 V). Choć ładowanie ciepłem będzie przebiegać z różną intensywnością, zależnie od aktualnie wytwarzanej mocy, w 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. Z taką intensywnością lub większą wiatry wieją stosunkowo krótko, co należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu systemu magazynowania ciepła.

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 określić średnią miesięczną prędkość wiatru w danym rejonie. Najczęściej wynosi ona 3-5 m/s, co pozwala na oszacowanie średniej mocy wiatraka.

Dla typowych konstrukcji typu HAWT z trzema łopatami średnia moc stanowi 1/8 - 1/5 mocy nominalnej. Oznacza to, że dla turbiny o mocy 2 kW średnia moc wyniesie 250-400 W. W cyklu dobowym wartości te mogą być jeszcze niższe, dlatego w przypadku konieczności dogrzewania wody zaleca się montaż grzałki zasilanej z sieci.

Przy takich parametrach efektywności funkcjonalne wykorzystanie wody podgrzewanej przez wiatrak pozwala w praktyce na podgrzanie 100-150 litrów wody do temperatury ok. 50°C w ciągu doby.

Zastosowanie inwertora i buforujących układów zasilania akumulatorów umożliwia zasilanie sieciowych domowych urządzeń. Ich moc będzie ograniczona do aktualnej mocy wytwarzanej przez turbinę wiatrową. Na krótkotrwałe obciążenie instalacji znacznie większą mocą pozwoli zmagazynowanie energii w akumulatorach.

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

Przykładowo, taki zapas energii można wykorzystać przy obciążeniu prądem o wartości 0,05 C (100 Ah : 20 h = 5 A). Przy napięciu 24 V umożliwi to obciążenie obwodu mocą 120 W (24 V x 5 A) przez 20 godzin. Należy jednak pamiętać, że przy większym poborze mocy dyspozycyjna pojemność akumulatora znacznie się zmniejsza.

Turbina wiatrowa we współpracy z fotowoltaiką

Istotne sezonowe zróżnicowanie efektywności energetycznej instalacji fotowoltaicznych można znacząco zredukować poprzez ich współpracę z elektrownią wiatrową. Niestety, ze względu na formalne i techniczne ograniczenia w budowie wiatraków o większej mocy, współpraca ta w praktyce ogranicza się do wspomagania ogrzewania ciepłej wody przez turbinę wiatrową w okresie zimowym.

W tym czasie efektywność fotowoltaiki jest niska, co często okazuje się niewystarczające do przygotowania c.w.u., nawet przy znacznej mocy nominalnej paneli. Z kolei turbina wiatrowa zazwyczaj osiąga w tym okresie najwyższą sprawność, co pozwala na utrzymanie pożądanej temperatury wody, nawet o znacznej objętości.

Autor: Redakcja BudujemyDom

Opracowanie: Aleksander Rembisz

Zdjęcie główne: depositphotos.com