Przydomowa mała elektrownia wiatrowa jest całkowicie niezależnym źródłem energii. Pozwala na zasilanie energią elektryczną jednego lub kilku budynków, które mogą być usytuowane nawet w znacznej odległości od istniejącej sieci elektroenergetycznej. Może służyć jako podstawowe lub dodatkowe źródło energii elektrycznej, które w pewnym stopniu uniezależnia użytkownika od sieci lokalnego operatora systemu dystrybucyjnego [2].
Wiatrak ze statecznikiem
Małe elektrownie wiatrowe mają moc znamionową maksymalnie do 20 kW i mogą dostarczać energię elektryczną na potrzeby dowolnego odbiornika autonomicznego (wydzielonego) [2]. Może to być cała instalacja domowa, odłączana od sieci elektroenergetycznej na czas korzystania z energii wytworzonej przez przydomową elektrownię, albo w ogóle nie podłączona do tej sieci. Może to być jedynie określony i wybrany obwód niskiego napięcia, np. oświetleniowy (oświetlenia zewnętrznego budynku, oświetlenia pomieszczenia), obwód ogrzewania podłogowego wspomagającego ogrzewanie budynku, działający niezależnie od pozostałej instalacji elektrycznej w domu − zasilanej z konwencjonalnej sieci elektroenergetycznej [2].
Przydomowe elektrownie wiatrowe, podobnie jak instalacje fotowoltaiczne, są szczególnie przydatne przy zasilaniu domów pasywnych.
Jeśli przydomowe elektrownie wiatrowe wykorzystuje się do zasilania przez akumulatory części oświetlenia domu: pojedynczych lamp, poszczególnych pomieszczeń czy urządzeń, to ich moc znamionowa przeważnie nie przekracza 100 W. Są to mikroelektrownie wiatrowe. Jeśli natomiast zapewnia się zasilanie energią elektryczną w budynku jednorodzinnym, to najpopularniejsze są przydomowe elektrownie wiatrowe o mocy znamionowej 3-5 kW [4]. Moc takich elektrowni, wspomagana energią zmagazynowaną w akumulatorach, wystarczy do zasilania oświetlenia, układów pompowych, sprzętu i wybranych urządzeń domowych. Przy czym rzeczywista moc tych elektrowni kształtuje się w warunkach krajowych na maksymalnym poziomie 25% w stosunku do mocy znamionowej [2].
Prawidłowy dobór mocy znamionowej przydomowej elektrowni wiatrowej dla zasilania określonego budynku wymaga dokładnej informacji o rocznym zużyciu energii elektrycznej i jego strukturze.
Ilość energii elektrycznej produkowanej w przydomowej elektrowni wiatrowej zależy głównie od prędkości wiatru. Ta z kolei zależy od czynników klimatycznych, ukształtowania powierzchni, wysokości usytuowania turbiny wiatrowej. Szczegółowa ocena poziomu produkcji energii w przydomowej elektrowni wiatrowej może być dokonana po uwzględnieniu zasobów wietrzności dla konkretnej lokalizacji oraz właściwości dobranego typu elektrowni wiatrowej.
Dobrze dobrana i usytuowana przydomowa elektrownia wiatrowa może wytworzyć rocznie energię elektryczną na poziomie odpowiadającym 15-25% iloczynu mocy znamionowej zainstalowanej turbiny wiatrowej oraz liczby godzin w ciągu roku (8760). Maksymalny rzeczywisty czas pracy przydomowej elektrowni wiatrowej w warunkach krajowych jest oceniany na 20-25% godzin w roku. Jest to okres, w którym prędkości wiatru są w zakresie prędkości roboczych (przeważnie 3-25 m/s) umożliwiających wytwarzanie energii elektrycznej w przydomowych elektrowniach wiatrowych. Przy czym prędkości te mogą być mniejsze lub większe od tych, przy których elektrownia wiatrowa produkuje moc znamionową.
Instalacja przydomowej elektrowni wiatrowej składa się z: turbiny wiatrowej, kontrolera pracy turbiny, falownika i masztu stalowego z fundamentem.
W przydomowych elektrowniach wiatrowych stosuje się zarówno turbiny z poziomą osią obrotu HAWT, jak i turbiny z pionową osią obrotu VAWT, przy czym te pierwsze są najpopularniejsze. Stosuje się je w ponad 95% rozwiązań elektrowni wiatrowych.
Przykładowe wybrane parametry turbin wiatrowych przedstawiono w tablicy.
Maszty przydomowych elektrowni mogą być umieszczone obok domu jako wolno stojące osadzone w gruncie na fundamencie lub utrzymywane odciągami. Małe elektrownie wiatrowe można też instalować bezpośrednio na dachu budynku pod warunkiem, że konstrukcja dachu będzie przystosowana do takiego obciążenia. Należy to uwzględnić już na etapie projektowania budynku.
Małe przydomowe elektrownie wiatrowe najczęściej mają za podstawę maszty od 1,5 m (na dachach) do 15-20 m nad poziomem gruntu (wolno stojące) [5].
W przydomowych elektrowniach wiatrowych instaluje się prądnice prądu stałego lub małe, trójfazowe prądnice asynchroniczne. Przy czym te pierwsze są stosowane najczęściej. Mogą zasilać obiekty wówczas, gdy są wyposażone w regulator napięcia oraz akumulatory do magazynowania energii elektrycznej. Jeśli wykorzystywane są do zasilania domowych odbiorników prądu przemiennego, muszą być wyposażone w odpowiedni falownik. Przy zasilaniu budynku jednorodzinnego urządzenia składowe umieszcza się zwykle w pomieszczeniach gospodarczych, garażach itp.
Jak wspomniano, ilość energii elektrycznej wytwarzanej w przydomowej elektrowni wiatrowej zależy w znacznym stopniu od prędkości wiatru i na skutek jej zmienności podlega często dużym wahaniom. Aby temu zapobiec, stosuje się w rozwiązaniach przeznaczonych do zasilania budynków tzw. układ hybrydowy [2]. Jest to połączenie przydomowej elektrowni wiatrowej z panelami fotowoltaicznymi lub z tradycyjnym generatorem spalinowym. Ponadto w takich układach są stosowane dodatkowe akumulatory, które umożliwiają gromadzenie nadwyżek energii w okresach zmniejszonego poboru i oddawanie jej, kiedy zapotrzebowanie na nią wzrasta [2].
Przydomowe elektrownie wiatrowe mogą być wyposażone w systemy do współpracy z siecią elektroenergetyczną, zawierające inteligentne falowniki- inwertory napięcia przemiennego umożliwiające synchronizację z siecią elektroenergetyczną. Energia elektryczna wytwarzana w elektrowni wiatrowej może być w zależności od chwilowego zapotrzebowania na moc w całości wykorzystana do zasilania lub tylko w części, a jej nadwyżka wysyłana do sieci. W dni bezwietrzne lub w chwili dużego poboru mocy (np. włączony grzejnik, pralka itp.) niedobór mocy jest pokrywany z sieci elektroenergetycznej. Cały proces jest realizowany automatycznie, bez ingerencji użytkownika. Energia elektryczna przepływa w obydwu kierunkach (do i z sieci) w zależności od chwilowego zapotrzebowania na moc i wietrzności. W ostatecznym rozrachunku z operatorem systemu dystrybucyjnego energia pobrana i oddana bilansują się. Przy takim rozwiązaniu konieczne jest posiadanie przez użytkownika odpowiedniej koncesji i umowy z operatorem systemu dystrybucyjnego.
Przydomowe małe elektrownie wiatrowe stanowią źródło hałasu i dlatego należy je lokalizować tak, aby nie naruszały jego dopuszczalnych poziomów. Wymaga to wykonania specjalistycznych analiz na etapie przygotowania inwestycji. Elektrownie te z reguły spełniają wymagania wynikające z ochrony przed hałasem, jeśli są zlokalizowane w odległości 20-100 m od budynków mieszkalnych.
...pełna wersja artykułu w EI 09/2012