Elektrownia wiatrowa w domu

Odnawialne źródła energii zaczynają być obecnie alternatywą dla konwencjonalnych paliw. Klienci indywidualni coraz częściej decydują się na zakup kolektorów słonecznych, ogniw fotowoltaicznych lub przydomowych elektrowni wiatrowych. Perspektywa uniezależnienia się od zakładu energetycznego przez zamontowanie własnej elektrowni wiatrowej jest ciekawą propozycją wartą rozważenia. Przed podjęciem decyzji, należy poznać technologie małych turbin wiatrowych oraz możliwości ich wykorzystania na potrzeby gospodarstwa domowego.

Turbina wiatrowa to urządzenie, które zamienia energię kinetyczną wiatru w pracę mechaniczną obracających się łopatek wirnika, a w konsekwencji, w energię elektryczną wytwarzaną przez generator. Jest to możliwe dzięki połączeniu wirnika i generatora za pomocą wspólnego wału.

Energia elektryczna wyprodukowana przez turbinę wiatrową jest zaliczana do odnawialnych źródeł energii. Nie jest to jednak finalny produkt, który możemy wykorzystać do zasilania naszych urządzeń. Energia z turbiny musi przejść jeszcze kilka etapów, by być gotową do użytku.

Podział turbin wiatrowych

Turbiny wiatrowe, ze względu na budowę, dzielimy na klasyczne poziome oraz pionowe. Różnicę między tymi dwoma rozwiązaniami konstrukcyjnymi stanowi poziome — HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines) lub pionowe — VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines) położenie osi obrotu wirnika.

Częściej stosowane są turbiny poziome, ponieważ mogą osiągać większą moc. Są one wyposażone w generator o mocy od 300 W do nawet 20 kW. Turbiny pionowe natomiast, ze względu na ograniczenia konstrukcyjne, nie posiadają tak dużego zakresu mocy. Dostępne na rynku zestawy są wyposażone w generator o mocy od 300 W do 10 kW. Klienci decydują się jednak na ich zakup z uwagi na cichą i stabilną pracę. Zawirowania i zmiany kierunku wiatru nie wpływają bowiem w znaczący sposób na obroty łopatek turbiny. Ponadto charakteryzuje je brak drgań, bezpieczeństwo dla środowiska (zwłaszcza ptaków) oraz możliwość montażu na dachach, ze względu na małą powierzchnię wymaganą do instalacji.

Sposób montażu turbiny

Producenci przydomowych elektrowni wiatrowych oferują różne metody montażu turbiny. Sposób zainstalowania zależy przede wszystkim od wymaganej przez klienta mocy. Małe turbiny o mocy do 2 kW można zamontować na maszcie z odciągami linowymi rozpiętymi pod kątem 60°. Wadą takiego rozwiązania jest hałas wytwarzany przez wiatr wywołujący drgania naprężonych lin.

Z kolei turbiny wiatrowe o mocy powyżej 2 kW montowane są na kratownicy lub za pomocą słupa osadzonego w ziemi. Należy podkreślić, że w przypadku gdy decydujemy się na osadzenie elektrowni wiatrowej na stałe w gruncie musimy uzyskać pozwolenie na budowę.

Przepisy prawne

Ciekawym rozwiązaniem dla osób, które chcą uniknąć ubiegania się o pozwolenie budowlane jest montaż małych turbin wiatrowych nieosadzonych trwale na gruncie za pomocą masztu albo kratownicy. Ustawa Prawo budowlane (z 7 lipca 1994 r.) umożliwia montaż takiej instalacji pod warunkiem, że zgłosimy chęć budowy właściwemu organowi decyzyjnemu, a ten w ciągu 30 dni nie wyrazi sprzeciwu. Warto wiedzieć też, że instalacja turbiny wiatrowej na istniejącym obiekcie budowlanym nie wymaga zgłoszenia, jeżeli wysokość masztu, na którym zamontujemy urządzenie nie przekracza 3 m.

Natomiast wszystkie elektrownie wiatrowe trwale osadzone na gruncie wymagają pozwolenia na budowę. Zanim inwestor wystąpi o takie pozwolenie musi otrzymać od miejscowych władz decyzję o warunkach zabudowy i zagospodarowania terenu zgodną z ustaleniami miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego

Inwestycja w małą elektrownię wiatrową nie wymaga posiadania koncesji na wytwarzanie energii elektrycznej, pod warunkiem, że będzie eksploatowana wyłącznie na potrzeby własne. Osoby, które chcą wytwarzać energię i odsprzedawać ją do zakładu energetycznego, muszą uzyskać koncesję od Urzędu Regulacji Energetyki. Jest to jednak nieopłacalne, ponieważ koszty są zbyt duże w porównaniu z korzyściami.

Każdy zakład energetyczny ma według ustawy Prawo energetyczne (z 10 kwietnia 1997 r.) obowiązek zakupu energii pochodzącej z odnawialnych źródeł od przedsiębiorcy posiadającego koncesję. W praktyce zgoda na przyłączenie do sieci energetycznej jest trudna do uzyskania, ponieważ energia elektryczna kierowana do sieci musi spełniać rygorystyczne parametry jakościowe.

Wadą przydomowych elektrowni wiatrowych jest generowany przez nie hałas. Jego poziom uzależniony jest od odległości turbiny od najbliższych zabudowań mieszkalnych, w których może być odczuwalny oraz od mocy samej turbiny. Zgodnie z rozporządzeniem ministra środowiska w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku (z 14 czerwca 2007 r.), w nocy dopuszczalny hałas emitowany przez turbinę może wynosić maksymalnie 40–45dB, natomiast w dzień 50–55dB, w zależności od rodzaju zabudowy. Dlatego przed zakupem urządzenia należy sprawdzić czy turbina nie będzie przekraczać dopuszczalnych norm podanych w rozporządzeniu.

System sterowania

Turbina wiatrowa wyposażona jest w system elektroniki i automatyki, który zapewnia stabilną prace urządzenia. Przydomowa elektrownia wiatrowa zawiera turbinę, generator, kontroler, akumulator (zestaw akumulatorów) oraz opcjonalnie — przetwornicę albo falownik.

Zadaniem kontrolera jest sterowanie pracą turbiny i przekształcanie prądu zmiennego wytwarzanego w generatorze na prąd stały. Dzięki takiemu rozwiązaniu technicznemu możemy zasilać akumulatory, które pełnią funkcję stabilizatora napięcia oraz magazynują energię elektryczną.

Przetwornica jest to urządzenie zmieniające stałe napięcie z akumulatorów na przemienne o charakterystyce 230 V/50 Hz, dostosowane do odbiorników domowych. Co istotne, jeżeli uzyskamy pozwolenie na przyłączenie do sieci energetycznej, wymagane będzie zastosowanie falownika zamiast przetwornicy. Dostosowuje on bowiem energię wytwarzaną przez elektrownię wiatrową do tej wymaganej w sieci energetycznej.

Praca turbiny wiatrowej, która zasila pojedyncze gospodarstwo domowe nazywana jest off-grid. Natomiast jeżeli przydomowa elektrownia wiatrowa jest podłączona do sieci, wtedy mówimy, że pracuje on-grid.

Wybór miejsca instalacji

Wybór miejsca postawienia przydomowej elektrowni wiatrowej powinien być uzależniony od warunków wietrzności danego terenu. Optymalnym rozwiązaniem jest instalacja turbiny w miejscu, gdzie wiatr wieje w sposób równomierny. Zbyt silne porywy wiatru mogą powodować przeciążenie urządzenia.

Turbina wiatrowa powinna zostać zainstalowana na wolnej, nieosłoniętej od wiatru przestrzeni. W praktyce jest to jednak trudne do zrealizowania, ponieważ jesteśmy ograniczeni wielkością naszej działki. Zalecane jest wtedy, aby turbina znajdowała się powyżej ewentualnych przeszkód osłaniających urządzenie od wiatru. Wiąże się to jednak ze zwiększeniem kosztów, ponieważ należy użyć wyższego oraz bardziej solidnego, czyli też droższego, masztu.

Możliwość wykorzystania turbin wiatrowych

Dobór mocy przydomowej elektrowni wiatrowej jest uzależniony od naszego zapotrzebowania na energię elektryczną, dlatego należy najpierw ustalić tę wielkość. Można założyć, że czteroosobowa rodzina zużywa 4000–5000 kWh energii elektrycznej rocznie. Obliczając ilość wytworzonej przez turbinę wiatrową energii, uwzględniamy iloczyn: 10 proc. mocy znamionowej elektrowni oraz liczby godzin w ciągu roku (8760 h). Współczynnik 10 proc. wykorzystania mocy przyjmujemy z uwagi na straty energii i okresy bezwietrznej pogody. Z powyższego wzoru wynika, że wymagana moc elektrowni wiatrowej dla zapewnienia 4000 kWh energii rocznie wynosi 5 kW (0,1 • 5kW • 8760h = 4380 kWh).

Koszt poziomej turbiny wiatrowej wraz z kontrolerem to ok. 38 tys. zł. Zakładając cenę 1 kWh energii na średnim poziomie 0,4 zł, możemy obliczyć, że tego typu inwestycja zwróci się za ok. 20 lat (4380 kWh/ rok • 0,4 zł/kWh = 1752 zł/rok; 38 000 zł : 1752 zł/rok = 21,68 lat). Biorąc po uwagę również cenę masztu, przetwornicy, akumulatorów oraz koszty montażu i serwisowania urządzenia, okres zwrotu inwestycji wydłuży się do ponad 20 lat. Nie można zapomnieć, że jest to uproszczone szacowanie, które nie uwzględnia wzrostu cen energii elektrycznej, zużywania się turbiny czy innych ekonomicznych aspektów, ale przybliża prawdopodobny czas zwrotu inwestycji. Producenci turbin wiatrowych nie dadzą nam gwarancji na tak długi okres. Możliwe, że gdy minie 20 lat i inwestycja zacznie w końcu przynosić zysk, może się okazać że turbina nie działa w pełni sprawnie.

Elektrownię wiatrową można również wykorzystać do podgrzewania ciepłej wody użytkowej albo do wspomagania instalacji CO. Woda jest wtedy ogrzewana za pomocą grzałek elektrycznych zasilanych z turbiny. Zaletą takiego rozwiązania jest brak konieczności zastosowania przetwornicy oraz akumulatorów, ponieważ energia zasilająca grzałki nie musi spełniać odpowiednich parametrów. Istnieje również możliwość podłączenia do układu kolektorów słonecznych, które zwiększą wydajność instalacji.

Moc turbiny na potrzeby ciepłej wody użytkowej powinna wynosić do 2 kW. Koszt poziomej turbiny o takiej mocy to ok. 9 tys. zł. Jeżeli doliczymy cenę grzałek elektrycznych, masztu, koszty montażu oraz odpowiedniego dla grzałek kontrolera, otrzymamy kwotę ok. 12–15 tys. zł w zależności od jakości wykorzystanych urządzeń. Okres zwrotu inwestycji dla ciepłej wody użytkowej jest uzależniony od dotychczasowej metody przygotowania wody.

Mała elektrownia wiatrowa jest ciekawym rozwiązaniem polecanym szczególnie dla domów letniskowych, pól namiotowych, przyczep kempingowych, jachtów oraz domostw oddalonych od sieci energetycznych. Wykorzystanie turbin wiatrowych wraz z innymi urządzeniami produkującymi energię ze źródeł odnawialnych może dać w przyszłości imponujące rezultaty.

Piotr Stasik

artykuł pochodzi z kwartalnika
Kreator Projekty wydanie 04/2012
więcej o kwartalniku czytaj na
Kreator Projekty.pl