Małe Elektrownie Wiatrowe (MEW) - Warmińsko

Małe Elektrownie Wiatrowe (MEW) - Warmińsko

Warmińsko-Mazurskie Stowarzyszenie Energii Odnawialnej
Małe Elektrownie Wiatrowe (MEW)
Elektrownie wiatrowe stają się coraz bardziej popularne w Polsce przede wszystkim dzięki budowie farm wiatrowych,
których w Polsce już trochę powstało. Choć wywołują niemałe kontrowersje i sprzeciwy wśród społeczeństwa, farmy
wiatrowe nadal są promowane przez branżę Ekoenergii i energetyczną. Jednak nie każdy słyszał o mikro instalacjach,
czyli przydomowych elektrowniach wiatrowych, które stanowią atrakcyjną alternatywę dla obecnie dostępnych
odnawialnych źródeł energii. Przydomowe elektrownie wiatrowe cieszą się coraz to większą popularnością, a
zainteresowanie nimi z całą pewnością jeszcze wzrośnie ponieważ do prawa polskiego wprowadzana jest obecnie
Dyrektywa Unii Europejskiej nr 2002/91/WE, zgodnie z którą w budynkach nowych oraz starych – gruntownie
remontowanych – projektant będzie musiał uwzględnić w dokumentacji budynku zastosowanie energii pochodzącej z
OZE.
Przydomowe, Małe Elektrownie Wiatrowe (MEW),
czyli mikro instalacje o mocy do 40 kW to systemy służące do zasilania wewnętrznych obwodów elektrycznych w
gospodarstwach domowych, rolnych, małych i średnich firmach, czy obiektach użyteczności publicznej. Ich niewielkie
rozmiary, prosta konstrukcja i praktycznie bezobsługowa praca pozwala postawić je praktycznie wszędzie.
Przydomowe wiatraki dzielą się na dwie główne grupy:
Elektrownie wiatrowe o poziomej osi obrotu, czyli w skrócie poziome, inaczej HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine). Są
budowane na kształt tradycyjnych wiatraków dużej mocy.
zalety:
•posiadają wyższa sprawność od turbin o pionowej osi obrotu,
•posiadają estetyczny i harmonijny wygląd.
wady:
•ze względu na wysoka prędkość obrotową wymagają mechanizmu, który przy bardzo silnym wietrze ogranicza
obroty turbiny,
•wymagają mechanizmu „naprowadzania na wiatr”,
•w przypadku umieszczenia generatora w gondoli wymagają zastosowania połączeń ślizgowych
Elektrownie wiatrowe o pionowej osi obrotu, czyli w skrócie pionowe, inaczej VAWT (Vertical Axis Wind Turbine), które
w dużym uproszczeniu przypominają pionowy walec. Siłownie z wiatrakami o osiach pionowych charakteryzują się
wieloma zaletami, ale również nie pozbawione są wad.
•zalety:
•efektywne wykorzystanie energii wiatru; przedział prędkości wiatru 1 – 40 m/s,
•Możliwości uzyskania:
– większej mocy o około 40% od klasycznego wiatraku z osią poziomą i o tej samej powierzchni zatoczenia łopat przy
niskich prędkościach wiatru rzędu 1 – 4,0 m/s (średnia prędkość wiatru w Polsce 3,7 m/s w miesiącach letnich i 4,9
m/s w miesiącach zimowych),
– większego wykorzystania wszystkich powiewów wiatru (nawet przy niższych prędkościach, które często występują
na mniejszych wysokościach – a te wykorzystywane są przede wszystkim w elektrowniach przydomowych),
•jednakowa praca niezależna od kierunku wiatru, w konsekwencji brak konieczności naprowadzania na wiatr;
powoduje to uproszczenie konstrukcji mechanicznej i układów sterowania, a w konsekwencji wymaga mniejszego
kosztu produkcji,
•możliwość łatwego montażu na obiektach; brak konieczności wynoszenia siłowni o bardzo dużej wadze, co wpływa
bezpośrednio na obniżenie nakładu inwestycyjnego, a pośrednio na koszty wytworzenia energii; możliwość montażu
na dachach budynków, słupach, istniejących masztach, itp.,
•stosunkowo cicha praca, nawet przy większych prędkościach wiatru,
•bezobsługowa praca zespołu prądotwórczego,
•estetyczny wygląd,
1
Warmińsko-Mazurskie Stowarzyszenie Energii Odnawialnej
wady:
•wytworzenie energii równoważnej energii wytworzonej w tradycyjnych
turbinach wymaga znacznie większych gabarytów
•z uwagi na niewielką prędkość obrotową w wielu przypadkach niezbędny
jest generator wolnobieżny lub przekładnia, które zmniejszają sprawność i zwiększają emisję hałasu.
Na rynku obecnie znajduje się wiele różnych rozwiązań przydomowych elektrowni wiatrowych. Dużo łatwiej jest
znaleźć dobry zestaw Małej Elektrowni Wiatrowej, ze względu na ich coraz większą popularność.
Na co zatem należy zwracać uwagę kupując wiatrak?
•Kraj pochodzenia. Mimo dużego rozwoju tej technologii w Azii, chińskie wiatraki są wciąż bardzo niepewne. Ich
parametry są często mocno wyśrubowane, a w praktyce często okazuje się, że są nieosiągalne. Zdarzają się także
problemy z samą charakterystyką wytworzonego prądu, która stwarza problemy przy jego przetwarzaniu. Europejskie
i amerykańskie rozwiązania z kolei są często bardzo drogie. Należy zatem bardzo ostrożnie podchodzić do
przedstawianych parametrów, ponieważ po zakupie trudno jest udowodnić, że dany wiatrak nie spełnia parametrów
technicznych, deklarowanych przez producenta, czy dystrybutora.
•Krzywa mocy. Producenci i dystrybutorzy opisując przydomowe elektrownie wiatrowe podają ich moc. W praktyce
ten parametr to tak zwana moc nominalna, czyli taka, która jest osiągana w optymalnym punkcie turbiny. Moce
nominalne są osiągane przy wiatrach 12-14 metrów na sekundę, czyli takich, które zdarzają się w Polsce 3-4 razy w
roku. Bardziej istotne są zatem moce, które są osiągane przy wiatrach występujących w Polsce, czyli 4-6 m/s. Jeśli
zatem dystrybutor lub producent podaje moc nominalną przy wietrze 8-9 m/s, można z dużą dozą
prawdopodobieństwa stwierdzić, że jest to informacja nieprawdziwa. Poza tym krzywa mocy jest trudna do
narysowania, ponieważ w różnych sytuacjach przy danym wietrze turbina wiatrowa będzie produkowała różne moce,
co zależne jest od takich czynników, jak ciśnienie, wilgotność powietrza i zmienność wiatru. Krzywa mocy powinna
być zatem podana w formie korytarza uzyskiwanych wyników.
•Sterowanie, czyli regulator ładowania akumulatorów. Póki co polskie gospodarstwa domowe są zmuszone budować
tzw. instalacje off-grid, czyli tzw. wyspowe. Do takiej instalacji niezbędne są akumulatory. Turbiny wiatrowe produkują
prąd zmienny, o bardzo zmiennych napięciach, co utrudnia ładowanie akumulatorów. Kupując małe elektrownie
wiatrowe należy zatem zwrócić uwagę na to, czy mają dedykowany przez producenta i kompatybilny regulator
ładowania akumulatorów.
Gdzie najczęściej stosowane są Małe Elektrownie Wiatrowe (MEW)
MEW służą do zasilania w energię m.in.:
•domy jednorodzinne, balkony i tarasy, ogrody, altanki
•domki letniskowe,
•małe firmy produkcyjne i usługowe,
•gospodarstwa rolne
•niewielkie hotele i pensjonaty
•obiekty użyteczności publicznej
•morskie znaki nawigacyjne,
•rolnictwo – zasilanie elektryczne maszyn i urządzeń gospodarczych,
•zasilanie pomp melioracyjnych,
•hodowla ryb, zasilanie urządzeń do napowietrzania i rekultywacji zbiorników wodnych oraz podgrzewanie wody,
•oświetlenie przyczep kempingowych, pól namiotowych, baraków i kontenerów budowlanych itp.,
•zasilanie – systemów podlewania, nawadniania kropelkowego, pomieszczeń gospodarczych w agroturystyce,
•zasilanie – jachtów, łodzi, statków, itp.
Turbina wiatrowa może pełnić funkcję dodatkowego źródła energii, wspomagającego zasilanie budynków
podłączonych do sieci elektrycznej lub stanowić samodzielne źródło energii w przypadku obiektów, które nie mają
dostępu do sieci elektrycznej. W pierwszym przypadku jest ona z reguły wykorzystywana do dostarczania prądu na
wydzielony obwód, zwykle niskonapięciowy (np. obwód oświetleniowy czy obwód ogrzewania podłogowego
wspomagającego ogrzewanie domu) lub służy do ogrzewania wody. Jeżeli MEW jest wyposażona w przetwornicę na
230V to można zasilać tyle urządzeń na ile wystarczy energii elektrycznej wytworzonej przez generator i
2
Warmińsko-Mazurskie Stowarzyszenie Energii Odnawialnej
zmagazynowanej w akumulatorach.
Czy postawienie MEW wymaga pozwolenia na budowę?
Instalacja turbiny na dachu budynku lub na jednej z jego ścian zewnętrznych nie wymaga pozwolenia na budowę
(warunek: wysokość turbiny nie może przekroczyć 3m powyżej obrębu dachu). Inwestor powinien jedynie zapewnić
kontrolę inspektora budowlanego mającą na celu potwierdzenie wytrzymałości konstrukcji dachu/ściany budynku do
przyjęcia dodatkowego obciążenia.
W przypadku umieszczenie turbiny na maszcie wolnostojącym jedyną formalnością jest zgłoszenie budowy masztu do
starostwa powiatowego lub do urzędu gminy. Dokumentacja powinna zawierać plan geodezyjny z naniesioną
lokalizacją i opisem masztu.
Postawienie masztu na trwale związanego z gruntem wymaga uzyskania pozwolenia na budowę. Wniosek składa się
w starostwie powiatowym lub w urzędzie gminy. Dokumentacja powinna zawierać m.in. plan geodezyjny z naniesioną
lokalizacją, opis masztu wraz z rysunkiem technicznym oraz oświadczenie o prawie do dysponowania nieruchomością,
na terenie której ma znaleźć się konstrukcja. Niektórzy producenci/dystrybutorzy oferują klientom pomoc w
załatwieniu powyższych formalności.
Czy do produkowania energii elektrycznej potrzebne są jakieś koncesje?
Produkcja energii na własne potrzeby nie wymaga koncesji. Jeśli jednak zamierzamy sprzedawać energię
wyprodukowaną przez MEW do zakładu energetycznego konieczne jest uzyskanie koncesji na produkcję i sprzedaż
energii elektrycznej. Aby ją otrzymać trzeba mieć zarejestrowaną działalność gospodarczą. Sprzedaż energii wymaga
również wystąpienia z wnioskiem o warunki przyłączania do sieci i wiąże się z koniecznością ponoszenia opłat za
wykorzystywanie dóbr naturalnych.
Po wejściu w życie ustawy o OZE (planowany termin to I kwartał 2015) sprzedaż energii przez właścicieli MEW będzie
możliwa bez koncesji a zakłady energetyczne będą miały obowiązek udzielenia zgody na ich przyłączenie do sieci.
Gdzie najlepiej postawić MEW?
MEW należy postawić w miejscu o odpowiednich zasobach energetycznych wiatru. Zasoby te zależą przede wszystkim
od:
a) Średniej prędkości wiatru na danym terenie.
Zainstalowanie turbiny wiatrowej ma ekonomiczny sens jeśli wynosi ona co najmniej 4m/s (15 km/h)
b) Szorstkości terenu, czyli jego ukształtowania, rodzaju zabudowy i bliskości drzew.
MEW powinna być umieszczona w miejscu gdzie występuje wolny przepływ powietrza, z dala od przeszkód takich jak
góry, pagórki, wysokie budynki i drzewa.
1.c) Stref zawirowań powietrza, czyli miejsc gdzie powietrze zapętla się swobodnie wirując. Lokalizacja turbiny na
takim obszarze jest niewskazana, ponieważ zawirowania wpływają niekorzystnie na jej wydajność.
W sumie umiejscowienie turbiny wiatrowej powinno być każdorazowo dobierane do lokalnych warunków i
poprzedzone oceną/badaniem wietrzności w danej okolicy.
W jakiej odległości od domu/zabudowań należy umiejscowić MEW ?
Elektrownia wiatrowa działa najlepiej gdy strumień wiatru jest laminarny (niezaburzony). Aby zwiększyć pewność, iż
struga wiatru docierająca do MEW będzie miała przepływ bliski idealnemu, odległości turbiny wiatrowej od wszelkich
przeszkód terenowych (w tym budynków, drzew itp.). Jeśli MEW miałaby stać za przeszkodą (domem, drzewem,
lasem), to trzeba pamiętać, że za przeszkodami (patrząc w kierunku wiatru), w strefie oznaczonej na rysunku kolorem
szaroniebieskim, strugi powietrza wirują. Aby MEW działała efektywnie, jej wirnik powinien znajdować się poza tą
strefa – a sama turbina powinna być umieszczona na bardzo wysoki maszcie albo zainstalowana w znacznej
odległości od przeszkody (zwykle w odległość równej około 20 wysokościom przeszkody).
Korzystniej jest umiejscowić MEW przed przeszkodą, bo strefa zawirowań powietrza jest wówczas znacznie mniejsza.
Dzięki temu turbina może stać bliżej przeszkody i być zamontowana na znacznie niższym maszcie niż w pierwszym
przypadku. Zawirowania nie będą również stanowiły utrudnienia w przypadku zamontowania turbiny na dachu lub
3
Warmińsko-Mazurskie Stowarzyszenie Energii Odnawialnej
ścianie budynku lub na otwartej przestrzeni np. na polu, czy na naturalnym wzniesieniu lub w pobliżu szos czy
autostrad.
Lepszej wydajności turbiny sprzyja również umieszczenie jej w pobliżu prześwitu budynków. Zgodnie z zasadą
przepływu Bernoulliego, zmniejszenie przepływu (ściśnięcie) wylotu węża ogrodowego powoduje, ze prędkość wody
jest większa i struga sięga dalej. Tą samą prawidłowość można odnieść do przepływu strugi wiatru – w prześwitach
pomiędzy budynkami wiatr jest silniejszy.
W sumie ekonomiczna opłacalność turbiny zależy od prawidłowego wykorzystania istniejących uwarunkowań
terenowych przy założeniu, że średnia prędkość wiatru w wybranej lokalizacji nie jest mniejsza niż 4m/s.
Ile energii elektrycznej wyprodukuje MEW?
Odpowiednio usytuowana elektrownia wiatrowa może wytworzyć rocznie taką ilość energii elektrycznej, jaka
odpowiada 25% iloczynu jej mocy nominalnej oraz liczby godzin w ciągu roku (24 h×365). W tak wyliczonej wielkości
uwzględnione są zarówno okresy bezwietrzne, jak i te, kiedy prędkość wiatru jest mniejsza lub większa od tej, przy
której elektrownia wiatrowa produkuje moc nominalną. Za przykład może posłużyć MEW o mocy nominalnej 4kW.
Szacunek wytworzonej przez nią energii przedstawia się następująco:
4 kW x 24 godziny x 365 dni w roku x 25 % = 8 760 kWh/rocznie
Jak dobrać moc MEW?
Aby odpowiednio dobrać moc MEW należy wyjść od średniego rocznego zapotrzebowania na energię oraz tego czy
chcemy jej część odsprzedawać do sieci czy też nie (warto wziąć pod uwagę, iż po wejściu w życie ustawy o OZE,
będą ku temu sprzyjające warunki). Posłużmy się przykładem. Załóżmy, że zapotrzebowanie domu jednorodzinnego
na energię wynosi rocznie ok. 4500 kWh i właściciele chcą ją spożytkować wyłącznie na zaspokojenie własnych
potrzeb. Zakładając, że turbina wiatrowa będzie pracować przez 25% dni w roku MEW powinna mieć moc nominalną
na poziomie 2kW.
x kW x 24 godziny x 365 dni w roku x 25% = 4 500 kWh
x = 4 500 kWh / (24 h x 365 x 0,25)
x = 2,0 kW
Jak obliczyć korzyści finansowe wynikające z zainstalowania MEW?
Aby oszacować oszczędności na rachunkach za prąd wynikające z zainstalowania MEW trzeba wziąć pod uwagę
następujące czynniki:
a) Roczną produkcję energii przez wybraną turbinę wiatrową.
b) Szacunkową cenę energii za 1 kW w ramach używanej taryfy (z uwzględnieniem opłat dystrybucyjnych). W tym
celu wystarczy przeanalizować rachunek za prąd.
c) Prognozowany wzrost cen energii. Można się tu oprzeć na oficjalnych danych Ministerstwa Gospodarki, które
przewidują, iż w okresie 2012-2020 ceny energii wzrosną o ok. 20%.
4
Warmińsko-Mazurskie Stowarzyszenie Energii Odnawialnej
Poniższa tabelka przedstawia szacunek rocznych zysków płynących z zainstalowania małej turbiny wiatrowej o mocy
nominalnej 1kW. Turbina taka wyprodukuje ok. 2200 kWh energii w ciągu roku.
Lata 2012-2020 Szacunkowa cena energii za 1 kWh (Taryfa G11) Wartość wyprodukowanej energii (2200 kWh)
2013 0,62 1 364 zł
2014 0,65 1 430 zł
2015 0,68 1 496 zł
2016 0.71 1 562 zł
2017 0.74 1 628 zł
2018 0.77 1 694 zł
2019 0.81 1 782 zł
2020 0,84 1 848 zł
Suma 12 804
Źródło: obliczenia własne
Jak obliczyć okres zwrotu inwestycji w małą elektrownię wiatrową?
Aby oszacować, kiedy zwróci się koszt zakupu MEW, trzeba wziąć pod uwagę cenę urządzenia oraz sumaryczny
roczny zysk wynikający z jego instalacji. Ceny MEW są bardzo zróżnicowane i zależą przede wszystkim od mocy
nominalnej i od producenta (w tym miedzy innymi jakości urządzenia i miejsca produkcji). Jeśli założymy, dla celu
ilustracji, że turbina wiatrowa o mocy nominalnej 1kW kosztuje 7000 zł brutto to inwestycja zwróci się po 5 latach
użytkowania. W przypadku gdy ceny energii wzrosną szybciej niż wynika to z oficjalnych prognoz, okres zwrotu
inwestycji będzie krótszy.
Czy MEW są źródłem hałasu?
Elektrownie wiatrowe – również małe, przydomowe – stanowią źródło hałasu. Zgodnie z przepisami obiekty i
urządzenia stanowiące źródła hałasu należy lokalizować tak, by nie naruszały dopuszczalnych poziomów hałasu.
Przydomowe MEW z reguły spełniają wymogi wynikające z ochrony przed hałasem już w odległości 20-100 m od
budynków mieszkalnych.
Jaka jest trwałość MEW?
Żywotność elektrowni wiatrowych sięga co najmniej 20 lat. Aby wydłużyć ten czas MEW należy regularnie serwisować
i w razie potrzeby dokonywać wymiany materiałów eksploatacyjnych.
Czy możliwa jest współpraca MEW z ogniwami fotowoltaicznymi?
Tak. Tego rodzaju układ nazywamy jest systemem hybrydowym. Panel fotowoltaiczny pozwala na uzupełnienie
niedoboru energii elektrycznej w dni słoneczne, przy braku wiatru i wykorzystywać dodatkowo wyprodukowaną
energię w układzie obwodów elektrycznych. System taki jest bardzo korzystny w polskich warunkach klimatycznych.
W miesiącach maj – sierpień wiatr wieje słabo natomiast jest dużo słonecznych dni. Z kolei okres jesienno-zimowym
(od października do lutego) charakteryzują się duża ilością wietrznych dni, a małą dni słonecznych.
Produkcja prądu z dwóch niezależnych źródeł energii odnawialnej zwiększa bezpieczeństwo energetyczne domu lub
obiektu który korzysta z tej formy zasilania w energię i pozwala na znacząca obniżkę kosztów energii (odpowiedni
dobór obu typów urządzeń do potrzeb energetycznych może pozwolić na całkowite uniezależnienie się od zasilania z
sieci). Moc paneli fotowoltaicznych pracujących w systemach hybrydowych dobierana jest indywidualnie do potrzeb
Klienta; możliwa jest dowolna konfiguracja liczby i mocy paneli.
Ogniwa fotowoltaiczne i MEW mogą zasilać tą samą instalację zarówno, jeśli są ściśle połączone jak i gdy są
zamontowane oddzielnie. Do jednoczesnego zarządzania pracą turbiny wiatrowej oraz paneli wystarczy jeden
sterownik elektroniczny (kontroler).
Jaki jest udział urządzeń domowych w zużyciu energii elektrycznej?
Procentowy udział najpopularniejszych sprzętów domowych w zużyciu energii ilustruje poniższy diagram .
5
Warmińsko-Mazurskie Stowarzyszenie Energii Odnawialnej
Źródło: Agencja Rynku Energii
Z powyższych danych wynika, iż niemal 80% zużycia prądu przypada na cztery grupy urządzeń:
– chłodziarko-zamrażarka (28,1%)
– oświetlenie i drobne AGD (20,4%)
– kuchnia elektryczna (19,6%)
– pralka (9,1%)
Elektrownie wiatrowe przekształcają energię, którą przenosi wiatr na energię elektryczną. Każdy wiatrak ma swoją
określoną powierzchnię, na którą oddziałuje wiatr, z kolei wiatr o określonej powierzchni, gęstości, wilgotności i
prędkości przenosi odpowiednią, dającą się określić energię. Parametr informujący o tym ile tej energii zostaje
faktycznie przekształcone na prąd to wydajność turbiny. Małe elektrownie wiatrowe mają wydajność na poziomie
około 20-40%. Kupując elektrownię wiatrową można zatem łatwo sprawdzić, czy parametry deklarowane przez
sprzedawcę są w ogóle realne. Często bowiem zdarza się, że aby osiągnąć deklarowaną moc, mała elektrownia
wiatrowa musiała by pracować z wydajnością 80%, a nawet powyżej 100%, co jest oczywiście fizycznie niemożliwe,
ponieważ nie da się wytworzyć energii większej, niż została przyłożona, bez dodatkowego zasilania. Aby zatem
uniknąć kłopotów należy skontaktować się ze specjalistą, który w prosty sposób określi i oceni te parametry.
Warmińsko-mazurskie Stowarzyszenie Energii Odnawialnych oczywiście służy pomocą.
6