Turbiny wiatrowe do użytku domowego

Energia wiatrowa była wykorzystywana przez ludzi w różnych formach od bardzo dawna. Jest to czyste źródło energii, które ma ogromny potencjał na przyszłość. Zobacz, jak turbiny wiatrowe mogą zasilić dom.

Zainteresowanie energią wiatrową jest szerokie, a jej zwolenników przybywa od lat.

Już około 5 000 lat p.n.e. ludzie wykorzystywali energię wiatru do napędzania łodzi wzdłuż rzek oraz do napędzania młynów do mielenia ziarna. W pewnym sensie, energia wiatrowa w małej skali to powrót do przeszłości, choć niekoniecznie w taki sposób, jaki pamiętałby pradziadek. Ale jak korzystamy z energii wiatru dzisiaj? Przejdźmy przez podstawy, ale przygotuj się na solidną dawkę informacji.

Czym są przydomowe turbiny wiatrowe (nie te przemysłowe)?
Wyobraź sobie, że zmniejszono jedną z gigantycznych turbin wzdłuż autostrady. To właśnie przydomowa turbina wiatrowa. Są to małe turbiny, które mogą generować energię dla indywidualnego gospodarstwa domowego, dostarczając prąd do urządzeń, klimatyzatorów, grzejników i oświetlenia. To prawdziwa rewolucja, prawda?

Jak działają turbiny wiatrowe?
Turbiny wiatrowe działają dzięki energii wiatru, która obraca łopaty napędzające wirnik. Gdy wirnik nabiera mocy, zaczyna obracać mały generator, produkując energię, podobnie jak inne generatory. Ciekawostką jest to, że wiatr to właściwie inna forma energii słonecznej! Wiatr powstaje, gdy słońce nierównomiernie ogrzewa naszą atmosferę, spotykając się z nierównościami na powierzchni Ziemi, a także dzięki obrotowi naszej planety.

Czy energia wiatrowa może zasilić dom?
Zdecydowanie, wiatr może zasilać dom. Większość przydomowych turbin wiatrowych jest wykorzystywana jako dodatkowe źródło energii, które zmniejsza zależność domu od sieci energetycznej i obniża rachunki za prąd. Wiatr jako źródło energii w domach często łączy się z innymi odnawialnymi źródłami energii, takimi jak energia słoneczna. To połączenie działa dobrze, ponieważ zarówno słońce, jak i wiatr to źródła energii o charakterze przerywanym, co oznacza, że nie dostarczają stałej ilości energii przez 24 godziny na dobę.

Magazynowanie energii jest również możliwe. Baterie mogą magazynować energię wygenerowaną przez turbiny wiatrowe i charakteryzują się wysoką wydajnością ładowania. Podobnie turbiny wiatrowe mogą wykorzystać nadmiar energii do sprężania powietrza. Powietrze jest przechowywane w zbiornikach i w razie potrzeby może być użyte do ponownego napędzenia turbiny w celu wygenerowania energii. Magazynowanie energii może być kosztowne, ale stanowi doskonałe rozwiązanie dla wykorzystania odnawialnych źródeł energii, które cechuje nieregularność.

Czym jest turbina wiatrowa?

Turbiny wiatrowe odgrywają kluczową rolę w dążeniu do czystszych i bardziej efektywnych systemów energetycznych.

Turbina wiatrowa, znana również jako generator wiatrowy, to urządzenie wykorzystujące siłę wiatru do produkcji energii elektrycznej. Zgrupowanie kilku turbin wiatrowych w jednym miejscu tworzy farmę wiatrową.

Turbina wiatrowa składa się z kilku podstawowych elementów:

• Rotor: Zbiera energię wiatru, zazwyczaj za pomocą trzech łopat przymocowanych do wału. Gdy wieje wiatr, rotor obraca się, wykorzystując energię kinetyczną wiatru. Gondola, umieszczona na szczycie turbiny, zawiera systemy elektroniczne i mechaniczne niezbędne do przekształcania energii wiatru w energię elektryczną.
• Generator: Połączony z rotorem, przekształca energię mechaniczną obrotu w energię elektryczną. Proces ten opiera się na zasadach elektromagnetyzmu, wykorzystując magnesy i cewki do generowania prądu elektrycznego.
• Wieża: Konstrukcja podtrzymująca rotor i generator na szczycie. Wysokość wieży jest kluczowa, ponieważ na większych wysokościach wiatr jest zazwyczaj silniejszy i bardziej stały.
• System sterowania i kierunkowania: Turbina wiatrowa jest zazwyczaj wyposażona w systemy kontrolne, które dostosowują kierunek rotora, aby maksymalizować zbieranie energii wiatru i zapewniać efektywne działanie. Systemy te dbają o to, aby turbina wiatrowa zawsze była optymalnie ustawiona względem kierunku wiatru.

Jak działa turbina wiatrowa?

Działanie turbiny wiatrowej można podzielić na kilka etapów, od zbierania energii wiatru po generację energii elektrycznej. Oto etapy tego procesu:

1. Zbieranie energii wiatru. Proces rozpoczyna się, gdy wiatr uderza w łopaty rotora turbiny wiatrowej. Łopaty o aerodynamicznym kształcie maksymalizują zbieranie energii kinetycznej wiatru. Turbiny wiatrowe są zaprojektowane do pracy w określonym zakresie prędkości wiatru.

2. Obrót rotora. Wiatr powoduje obrót łopat wokół ich osi. Ruch obrotowy jest przekazywany do generatora za pośrednictwem połączonego wału.

3. Generacja energii. Generator jest kluczowym elementem, który przekształca energię mechaniczną ruchu obrotowego w energię elektryczną. W turbinach wiatrowych stosuje się generatory synchroniczne lub asynchroniczne. W generatorze synchronicznym prędkość obrotowa rotora i częstotliwość generowanego prądu są zsynchronizowane. W generatorze asynchronicznym te zmienne nie są sztywno zsynchronizowane, co daje większą elastyczność w działaniu.

4. Sterowanie i kierowanie. Turbina wiatrowa posiada system sterowania, który dostosowuje kierunek rotora w celu maksymalizacji efektywności. Czujniki nieustannie monitorują prędkość i kierunek wiatru, a system sterowania dopasowuje ustawienie rotora, aby zoptymalizować zbieranie energii.

5. Transformacja i dystrybucja energii. Energia elektryczna generowana przez turbinę wiatrową, zazwyczaj w postaci prądu zmiennego (AC), przechodzi proces transformacji. Transformator podnosi napięcie, aby dostosować je do poziomów wymaganych przez sieć elektroenergetyczną. Następnie energia jest przesyłana kablami z turbiny wiatrowej do stacji transformatorowej, skąd jest integrowana z siecią i dystrybuowana.

Rodzaje turbin wiatrowych.

Różnorodność dostępnych turbin wiatrowych umożliwia dobór odpowiedniego modelu w zależności od specyficznych potrzeb. Decydujące czynniki to prędkość wiatru w danej lokalizacji, cel instalacji oraz aspekty ekonomiczne.

Technologia generatorów wiatrowych stale się rozwija, co prowadzi do poprawy efektywności, wydajności oraz zdolności adaptacji do różnych warunków.

Przykłady turbin wiatrowych obejmują:

Turbiny z osią poziomą – HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine)

Turbiny wiatrowe z osią poziomą, najbardziej popularne i powszechnie stosowane, mają konstrukcję, w której rotor z 3 lub więcej łopatami obraca się wokół poziomej osi prostopadłej do kierunku wiatru.

Łopaty są przymocowane do piasty, która jest połączona z przekładnią i generatorem. Główną funkcją przekładni jest zwiększenie prędkości obrotowej rotora, co umożliwia generowanie energii elektrycznej.

Wieża podnosi rotor na wyższą wysokość, aby wykorzystać silniejsze wiatry. Konstrukcja ta umożliwia efektywną konwersję energii kinetycznej wiatru w energię elektryczną, co przyczynia się do produkcji zrównoważonej energii wiatrowej.

Turbiny z osią pionową – VAWT (Vertical Axis Wind Turbine)

Turbiny wiatrowe z osią pionową mają innowacyjną konstrukcję, w której rotor obraca się wokół pionowej osi, a łopaty mają spiralny lub jajowaty kształt. Taki projekt sprawia, że są one kompaktowe i wszechstronne.

Dzięki uproszczonej strukturze i zdolności do adaptacji do zmiennych warunków wiatrowych, stanowią idealny wybór w miejscach o ograniczonej przestrzeni, takich jak środowiska miejskie i gęsto zaludnione obszary.

Chociaż te turbiny są wciąż w fazie rozwoju, wykazują obiecujący potencjał w rozwiązywaniu specyficznych problemów i mogą odegrać kluczową rolę w rozwoju technologii wiatrowej.

Rodzaje turbin wiatrowych z osią pionową.

Istnieje wiele prostych projektów małych turbin wiatrowych pionowych, które różnią się konstrukcją. W praktyce można spotkać różne warianty i kombinacje; twórcy często wykazują kreatywność w projektowaniu różnych form pionowych turbin wiatrowych.

Rotory Savoniusa (Darrieus Rotors)

Rotor Savoniusa to typ pionowej turbiny wiatrowej charakteryzujący się stosunkowo masywną i oporową konstrukcją. Rotory Savoniusa są znane jako rotory oporowe, ponieważ cała powierzchnia rotora stawia opór wiatrowi i jest w zasadzie pchana przez wiatr. Opór ogranicza jednak prędkość i moc rotora. Rotory Savoniusa mogą obracać się z prędkością równą prędkości wiatru, a ich wydajność jest najniższa spośród wszystkich małych turbin wiatrowych, co oznacza, że produkują znacznie mniej energii elektrycznej niż inne konstrukcje.

Rotory Darrieusa

Rotor Darrieusa to typ pionowej turbiny wiatrowej (VAWT) znany ze swojego charakterystycznego kształtu „ubijaka do jajek”. Składa się z zakrzywionych łopat, które są ustawione pionowo wokół centralnej osi. Rotory Darrieusa należą do kategorii rotorów opartych na sile nośnej, co oznacza, że wykorzystują aerodynamiczną siłę nośną do obracania łopat. W przeciwieństwie do rotorów oporowych, które mają łopaty ustawione bezpośrednio na wiatr, rotory bazujące na sile nośnej mają łopaty ustawione pod kątem do wiatru. Pozwala to na płynny przepływ powietrza nad powierzchnią łopaty, tworząc różnicę ciśnień, która generuje siłę nośną.

Rotory bazujące na sile nośnej mogą obracać się znacznie szybciej niż prędkość wiatru, co zwiększa moc wyjściową i efektywność turbiny wiatrowej. Wskaźnik mocy jest miarą tego, ile dostępnej energii wiatru rotor jest w stanie uchwycić. Większość nowoczesnych turbin wiatrowych, zarówno o osi pionowej, jak i poziomej, opiera się na tej zasadzie.

Rotor Darrieusa występuje w różnych podtypach, takich jak rotor śrubowy, dyskowy oraz H-rotor z prostymi łopatami. Turbiny te zwykle posiadają trzy smukłe łopaty rotora, napędzane siłami nośnymi, co pozwala na osiąganie wysokich prędkości. Właściwości aerodynamiczne, w tym ciśnienie wiatru i efekty nośne, przyczyniają się do ich wydajności, osiągając maksymalnie około 40% przy fizycznie możliwym maksimum dla turbin wiatrowych wynoszącym 59%.

H-Rotory

H-rotor to popularny typ rotora Darrieusa. W tej konfiguracji łopaty turbiny nie są zakrzywione, jak w klasycznym modelu, lecz proste. H-rotor ma większą powierzchnię przeciwstawną do wiatru, co teoretycznie zapewnia wyższą moc wyjściową w porównaniu do modeli z zakrzywionymi łopatami.

Rotory śrubowe

Rotory śrubowe to typ pionowej turbiny wiatrowej (VAWT), która wykorzystuje siłę nośną do obracania łopat. Mają zakrzywione łopaty, które tworzą spiralę wokół pionowego wału. Spiralna konstrukcja umożliwia rotorowi zbieranie energii z wiatru z różnych kierunków bez konieczności stosowania skomplikowanych mechanizmów do obracania i ustawiania się na wiatr.

Turbiny bezłopatkowe

Turbiny bezłopatkowe, znane również jako turbiny wiatrowe z osią pionową bez łopat, stanowią innowację w porównaniu z tradycyjnymi turbinami wiatrowymi.

Zamiast klasycznych łopat obracających się wokół osi poziomej, te urządzenia wykorzystują konfigurację z osią pionową, całkowicie eliminując łopaty. Zbieranie energii wiatru odbywa się za pomocą alternatywnych zasad aerodynamicznych, takich jak zastosowanie pionowych cylindrów lub struktur spiralnych. Konstrukcje te dążą do poprawy efektywności i zmniejszenia wpływu wizualnego oraz akustycznego, jakie niosą za sobą tradycyjne turbiny.

Małe i mikro turbiny wiatrowe

Znaczenie małych i mikro turbin wiatrowych jest warte podkreślenia, ponieważ rozwijają się one dynamicznie dzięki zdolności do integracji z systemami samowystarczalnymi.

Te technologie, które obejmują małe turbiny wiatrowe, pozwalają użytkownikom na wybór źródła energii oraz zdecentralizowaną produkcję prądu, spełniając w ten sposób część lub całość zapotrzebowania na energię.

Instalacje w środowiskach mieszkalnych lub komercyjnych umożliwiają lokalną produkcję energii odnawialnej, zmniejszając zależność od konwencjonalnych źródeł i wspierając przejście na bardziej zrównoważone i efektywne systemy.

Postępy w zakresie efektywności i redukcji kosztów uczyniły małe i mikro turbiny wiatrowe bardziej dostępnymi opcjami dla tych, którzy dążą do samowystarczalności energetycznej i redukcji śladu ekologicznego.

Zaangażowanie w rozwój energetyki wiatrowej nie tylko pozycjonuje ją jako kluczowy filar transformacji energetycznej, ale także podkreśla znaczenie innowacji i dywersyfikacji w tym sektorze, tworząc rozwiązania energetyczne na dziś i jutro.

Zalety pionowych turbin wiatrowych.

• Są bardziej praktyczne w obszarach mieszkalnych i mogą generować energię zarówno przy porywistym, jak i stałym wietrze.
• Posiadają mniej elementów niż turbiny wiatrowe z osią poziomą, co oznacza mniej części, które mogą ulec zużyciu lub awarii.
• Wieża nie musi być tak wytrzymała, ponieważ przekładnia i generator znajdują się blisko ziemi. Nie są również potrzebne elementy do kontroli nachylenia i kierunku.
• Turbina nie musi być skierowana w odpowiednią stronę wiatru, ponieważ może wychwytywać wiatr z dowolnego kierunku.
• Są tańsze w produkcji niż turbiny z osią poziomą, łatwiejsze do instalacji, transportu i mogą być montowane tam, gdzie wyższe konstrukcje są zabronione.
• Pracują ciszej, co sprawia, że nie zakłócają spokoju mieszkańców.

Wady pionowych turbin wiatrowych.

• Produkują mniej energii niż turbiny poziome, mają niższą wydajność, ograniczoną skalowalność, większe turbulencje oraz wyższe koszty.
• Wymagają wyższej prędkości wiatru, aby rozpocząć obracanie, co może oznaczać, że nie działają dobrze w obszarach o słabym wietrze.
• Są bardziej narażone na zmęczenie i stres z powodu zmiennego momentu obrotowego na łopatach.
• Mogą stanowić zagrożenie dla ptaków i nietoperzy, które latają blisko ziemi.

Efektywność i ekonomia pionowych turbin wiatrowych.

Koszt zakupu pionowych turbin wiatrowych jest zazwyczaj podobny lub wyższy niż turbin poziomych. W segmencie małych elektrowni wiatrowych ceny i koszty na kilowat mogą się znacznie różnić w zależności od producenta i modelu turbiny, wahając się od 3 000 do 10 000 euro za zainstalowany kilowat.

Pionowe turbiny wiatrowe napotykają trudności związane z aerodynamiką, regulacją systemu i ochroną przed burzami. W przeciwieństwie do turbin poziomych, pionowych nie można odwrócić od wiatru w celu ochrony przed burzami. To sprawia, że regulacja systemu jest bardziej skomplikowana, co prowadzi do dodatkowych kosztów konstrukcyjnych związanych z rozwiązaniami technicznymi.

Jaka wielkość turbiny wiatrowej jest potrzebna do zasilania domu?

Wielkość turbiny wiatrowej zależy od przeznaczenia. Małe turbiny zwykle generują od 20 watów do 100 kilowatów energii. Na przykład turbiny o mocy 20-500 watów służą do ładowania akumulatorów w pojazdach rekreacyjnych, a niektóre jachty wyposażone są w turbiny o mocy 1-10 kilowatów, używane do pompowania wody.

Turbiny przeznaczone do zastosowań domowych zazwyczaj generują od 400 watów do 100 kilowatów energii, ale wszystko zależy od zapotrzebowania na energię elektryczną. Przeciętny dom zużywa około 877 kilowatogodzin energii miesięcznie. Aby pokryć znaczną część tego zapotrzebowania, potrzebna jest turbina o mocy od 5 do 15 kilowatów. Średnica rotora zależy od prędkości i stabilności wiatru, ale dla turbin domowych łopaty mogą mieć od 1,2 do 15 metrów długości.

Jak efektywne są domowe turbiny wiatrowe?

Chociaż instalacja turbin wiatrowych jest kosztowna, ich efektywność jest wysoka. Teoretyczne maksimum wydajności turbin wiatrowych wynosi 59%, przy czym średnia wydajność wynosi około 50%. Dla porównania panele słoneczne mają wydajność około 20%, a średnia elektrownia węglowa osiąga wydajność około 33%.

Ile można zaoszczędzić, zasilając dom turbiną wiatrową?

Systemy turbin wiatrowych mogą zwrócić się w ciągu 6 do 20 lat, przy czym średni okres zwrotu wynosi 15 lat. Po odzyskaniu kosztów domowy system turbiny wiatrowej może obniżyć rachunki za prąd o 50 do 90%.

Czy są jakieś korzyści z zasilania domu energią wiatrową?

Jak w każdej sytuacji, istnieją zarówno zalety, jak i wady. Oto trzy główne korzyści:

Zalety domowych turbin wiatrowych.

1. Ekologiczność.

Turbiny wiatrowe, niezależnie od wielkości, są źródłem czystej energii. Produkcja energii za pomocą turbiny nie emituje żadnych szkodliwych substancji do atmosfery. W obliczu rosnącej zależności świata od paliw kopalnych oraz postępującego kryzysu klimatycznego turbiny wiatrowe stanowią zielone rozwiązanie, które redukuje zależność od szkodliwych paliw, takich jak węgiel i ropa.

2. Odnawialność.

W przeciwieństwie do węgla i ropy energia wiatrowa jest odnawialna, co oznacza, że nigdy jej nie zabraknie. Wiatr będzie wytwarzany, dopóki istnieje słońce i układy ciśnienia w atmosferze. Chociaż wiatr nie zawsze wieje, turbiny mogą być wyposażone w akumulatory, które magazynują energię, zapewniając zasilanie nawet w bezwietrzne dni.

3. Dostępność finansowa.

Choć instalacja turbin wiatrowych jest kosztowna, sam wiatr jest darmowy. W przeciwieństwie do ropy (co wiąże się z wysokimi cenami paliwa) nie trzeba płacić za korzystanie z wiatru, a jego zasoby są niewyczerpalne. Turbiny wiatrowe zwracają się w rozsądnym czasie, a systemy wymagają niewielkiej konserwacji, co czyni je atrakcyjną opcją dla właścicieli domów.

Wady domowych turbin wiatrowych.

1. Zależność od pogody.

Nawet jeśli system wiatrowy jest wyposażony w akumulator, nie oznacza to, że zawsze będzie dostępna energia. Wiatr jest zmienny i trudny do przewidzenia, co sprawia, że zdolność do pozyskiwania energii wiatrowej zależy od lokalizacji oraz stabilności warunków pogodowych. Wszystko to utrudnia określenie, jak długo potrwa zwrot inwestycji w system.

2. Hałas.

Turbiny wiatrowe mogą generować dźwięki o natężeniu od 50 do 60 decybeli. Jeśli lokalizacja jest oddalona od sąsiadów, może to nie stanowić problemu, ale w obszarach wiejskich hałas może zakłócać spokój mieszkańców.

3. Trudności w regulacji.

Pozwolenia na budowę, kwestie związane ze strefowaniem oraz ograniczenia wysokości mogą stanowić przeszkodę dla właścicieli domów planujących instalację turbin wiatrowych. Wymogi prawne oraz lokalne przepisy mogą wydłużyć czas uzyskania zgody na instalację, a niektóre obszary mogą całkowicie zabronić montażu turbin.

Źródła informacji:

https://en.wikipedia.org/wiki/Vertical-axis_wind_turbine

https://www.repsol.com/en/energy-and-the-future/future-of-the-world/wind-turbine/index.cshtml

https://pl.wikipedia.org/wiki/Energia_wiatru

https://pl.wikipedia.org/wiki/Elektrownia_wiatrowa

https://pl.wikipedia.org/wiki/Turbina_wiatrowa