Elektrownie wiatrowe - od czego zacząć

Domowa elektrownia wiatrowa składa się z czterech rzeczy: wirnika, który zbiera energię z wiatru, prądnicy, która zamienia obroty na prąd, masztu, który trzyma to wszystko w powietrzu, i elektryki, która pozwala z prądu skorzystać. Każdy z tych czterech elementów potrafi położyć całą konstrukcję, ale kolejność, w jakiej się o nich myśli, ma znaczenie. Najgorszy możliwy start to kupienie śmigła, bo ładnie wyglądało.

Ta strona jest rozdzielaczem. Pokazuje, jakie decyzje trzeba podjąć, w jakiej kolejności i gdzie każda z nich prowadzi. Szczegóły każdego tematu opisaliśmy osobno.

Wirnik poziomy czy pionowy

Pierwsza decyzja i ta, którą najtrudniej cofnąć. Elektrownie dzielą się na dwie rodziny w zależności od tego, jak ustawiona jest oś obrotu wirnika.

Wirnik o osi poziomej

Klasyczny wiatrak ze śmigłem, oś obrotu równoległa do ziemi i do kierunku wiatru. To rozwiązanie stosowane we wszystkich elektrowniach zawodowych i w większości konstrukcji domowych, i nie bez powodu: łopata takiego wirnika przez cały obrót pracuje przy tym samym kącie natarcia, więc cały czas wytwarza siłę nośną. Sprawność wychodzi najwyższa z możliwych.

Cena jest taka, że wirnik musi być ustawiony pod wiatr. Robi to statecznik ogonowy albo mechanizm obrotu gondoli, a to oznacza ruchomy przegub między masztem a maszyną i kabel, który się w tym przegubie skręca. Do tego dochodzi wysokość: śmigło o średnicy trzech metrów nie ma czego szukać dwa metry nad ziemią, bo tam wiatr jest szarpany i słaby.

Wirnik o osi pionowej

Oś stoi pionowo, więc wirnik przyjmuje wiatr z każdego kierunku bez obracania. Nie potrzeba statecznika ani przegubu, prądnica może stać na dole u podstawy masztu, a nie w gondoli na górze - co przy przeróbce ciężkiego silnika z pralki jest argumentem nie do pogardzenia.

Dwa podstawowe typy różnią się zasadą działania. Wirnik Savoniusa to w istocie dwie połówki beczki - działa na opór, kręci się wolno, ale rusza przy bardzo słabym wietrze i daje duży moment na starcie. Wirnik Darrieusa pracuje na sile nośnej jak śmigło, osiąga wyraźnie wyższą sprawność, ale przy zerowych obrotach nie ma z czego wytworzyć momentu i sam nie ruszy - trzeba go rozkręcić.

Który wybrać do przeróbki silnika

Odpowiedź zależy od tego, jaką prądnicę zbudujesz, a nie od tego, który wirnik ładniej wygląda. Przerobiony silnik z pralki ma moment zaczepowy, czyli opór, który trzeba pokonać, zanim cokolwiek ruszy. Wirnik Darrieusa tego momentu nie pokona, bo sam startuje od zera. Śmigło poziome pokona go wtedy, gdy jest dostatecznie duże. Savonius pokona zawsze, tylko odda mniej energii.

Praktyczny wniosek jest taki: jeśli budujesz na przerobionym silniku po raz pierwszy, wirnik poziomy z trzema łopatami albo Savonius dają największą szansę, że konstrukcja w ogóle ruszy. Darrieus zostaw na drugą konstrukcję, gdy będziesz już wiedział, jaki moment zaczepowy ma Twoja prądnica.

Skąd bierze się moc - dwa wykładniki, które trzeba zapamiętać

To jest fragment, dla którego warto przeczytać całą stronę. Moc dostępna w strumieniu wiatru zależy od dwóch rzeczy, ale zależy od nich zupełnie inaczej.

Prędkość wiatru w trzeciej potędze

Moc strumienia powietrza rośnie z sześcianem prędkości wiatru. Nie proporcjonalnie, nie z kwadratem - z sześcianem. Powód jest prosty: szybszy wiatr niesie więcej energii w każdym kilogramie powietrza, bo energia kinetyczna rośnie z kwadratem prędkości, a jednocześnie przez ten sam przekrój przelatuje w tym samym czasie więcej kilogramów. Kwadrat razy prędkość daje trzecią potęgę.

Praktyczne konsekwencje są brutalne. Dwa razy silniejszy wiatr niesie osiem razy więcej mocy. Wiatr 8 m/s daje osiem razy więcej niż 4 m/s. Odwrotnie też: spadek z 6 m/s na 3 m/s to nie połowa mocy, tylko jedna ósma. Właśnie dlatego statystyka wiatru w Twojej lokalizacji jest ważniejsza niż wszystko inne razem wzięte, a średnia roczna prędkość wiatru prawie nic nie mówi - liczy się rozkład, bo kilka wietrznych dni potrafi dać więcej niż pół roku wiania po 3 m/s.

Średnica wirnika w drugiej potędze

Moc rośnie z kwadratem średnicy wirnika, bo zależy od powierzchni zakreślanej przez łopaty, a powierzchnia koła rośnie z kwadratem promienia. Dwa razy dłuższe łopaty to cztery razy większa powierzchnia i cztery razy więcej mocy przy tym samym wietrze.

To dobra wiadomość, bo średnica jest jedyną wielkością w całym rachunku, na którą masz realny wpływ. Wiatru nie zmienisz, sprawności wirnika nie podniesiesz powyżej pewnego progu, ale łopaty możesz zrobić dłuższe. Zła wiadomość: obciążenie masztu i naprężenia w łopacie rosną znacznie szybciej niż moc, a przy silnym wietrze potrzebna jest regulacja mocy, bo inaczej konstrukcja rozpadnie się przy pierwszej porządnej wichurze.

Limit Betza - dlaczego nie da się zabrać całej energii

Zdrowy rozsądek podpowiada, że idealny wirnik zatrzymałby całe powietrze i zabrał mu całą energię. Zdrowy rozsądek jest w błędzie, i to widać od razu, gdy się nad tym zastanowić: gdyby powietrze za wirnikiem miało prędkość zero, to nie miałoby jak odpłynąć, a skoro nie odpływa, to świeże powietrze nie ma jak dopłynąć. Wirnik przestałby pracować.

Powietrze musi więc wyjść zza wirnika z jakąś prędkością, a to znaczy, że zawsze unosi ze sobą część energii. Albert Betz policzył w 1919 roku, przy jakim spowolnieniu strumienia odbiór mocy jest największy. Wynik to 16/27, czyli 59,3 procent mocy strumienia - i jest to granica, której nie przekroczy żadna konstrukcja, niezależnie od kształtu łopat i sprytu projektanta.

Do tej granicy nikt nie dochodzi. Duże elektrownie zawodowe z bardzo starannie policzonymi łopatami osiągają 45-50 procent. Dobrze wykonany wirnik domowy o osi poziomej mieści się w przedziale 35-45 procent. Savonius z założenia jest niżej, bo działa na oporze, a nie na sile nośnej. Do tego dochodzą jeszcze straty w przekładni i w samej prądnicy, więc na zaciskach zostaje jeszcze mniej.

Wniosek praktyczny: jeżeli ktoś obiecuje wiatrak o sprawności 70 procent, to albo liczy inaczej niż wszyscy, albo mówi nieprawdę. A jeżeli obiecuje stałą moc niezależnie od wiatru, to nie mówi o elektrowni wiatrowej.

Trzy prędkości, które opisują każdą elektrownię

Charakterystyka elektrowni wiatrowej sprowadza się do trzech liczb. Warto je znać dla własnej konstrukcji, zanim postawi się maszt.

Prędkość startowa

Wiatr, przy którym wirnik rusza z miejsca i zaczyna oddawać energię. W domowych konstrukcjach mieści się zwykle między 2,5 a 4 m/s i jest to najczęstsze miejsce, w którym przeróbka silnika zawodzi. Prądnica z dużym momentem zaczepowym potrafi podnieść prędkość startową do 6-7 m/s, a to oznacza, że przez większość roku wiatrak stoi. Jak temu zaradzić, opisaliśmy przy momencie zaczepowym.

Prędkość znamionowa

Wiatr, przy którym elektrownia osiąga moc znamionową i powyżej którego nie oddaje już więcej. W konstrukcjach domowych to zwykle 9-12 m/s. Uwaga na marketing: moc podawana na tabliczce zawsze odnosi się do tej prędkości, a nie do tego, co wieje u Ciebie w ogrodzie. Elektrownia „500 W" przy wietrze 4 m/s odda kilkadziesiąt watów, i nie jest to wada, tylko sześcian z poprzedniej sekcji.

Prędkość wyłączenia

Wiatr, przy którym konstrukcję trzeba zatrzymać, żeby się nie zniszczyła. Duże elektrownie wyłączają się przy 25 m/s. W domowej konstrukcji rolę wyłącznika pełni układ regulacji: odchylenie wirnika od wiatru, zmiana kąta łopat albo hamowanie elektryczne przez zwarcie uzwojeń. Wiatrak bez żadnego zabezpieczenia przy silnym wietrze rozkręca się do obrotów, przy których łopata odrywa się od piasty - i wtedy leci kilkadziesiąt metrów.

Co postawić jako prądnicę

Przy domowej skali gotowa prądnica wiatrowa kosztuje zwykle więcej niż cała reszta konstrukcji razem wzięta, więc przeróbka jest naturalnym wyborem. Trzy najczęstsze drogi:

Silnik z pralki automatycznej. Najpopularniejszy punkt startu: tani, dostępny ze złomu, ma zwartą budowę i wał gotowy pod pasek klinowy. Po odwinięciu uzwojeń i wklejeniu magnesów neodymowych w wirnik daje realnie kilkadziesiąt watów. Cały przebieg przeróbki wraz z liczbą zębów, liczbą biegunów i doborem wymiaru magnesu opisaliśmy przy prądnicy z silnika od pralki.

Silnik asynchroniczny trójfazowy. Więcej materiału, więcej mocy, ale też więcej pracy przy wirniku i większa masa do wciągnięcia na maszt. Sprawdza się w konstrukcjach o średnicy powyżej dwóch metrów.

Alternator samochodowy. Kusi ceną, ale wymaga bardzo wysokich obrotów i pobiera prąd na wzbudzenie, więc przy słabym wietrze bilans wychodzi ujemny. Sensowny dopiero z przekładnią i przy pewnym wietrze.

Jak dobrać liczbę biegunów, uzwojenie i sposób chłodzenia, i czym różnią się rozwiązania stosowane w elektrowniach zawodowych, opisaliśmy szerzej przy generatorach.

Moment zaczepowy - pierwsza przyczyna, dla której wiatrak nie rusza

Jeżeli konstrukcja stoi, mimo że drzewa się kołyszą, to w dziewięciu przypadkach na dziesięć winny jest moment zaczepowy prądnicy. Zęby stojana przyciągają magnesy wirnika i ustawiają go w położeniach stabilnych, z których trzeba go wyrwać siłą. Silnik tego nie odczuwał, bo startował z sieci. Wiatrak startuje z wiatru, a wiatr 3 m/s takiej siły nie ma.

Zmniejsza się go skosem magnesów, właściwym doborem liczby biegunów do liczby żłobków i - w ostateczności - słabszym magnesem. Wszystkie te decyzje zapadają przed wklejeniem magnesów, bo potem nie da się ich cofnąć bez rozbierania wirnika. Szczegóły i minutowy sprawdzian, który wykonuje się przed wciągnięciem prądnicy na maszt, opisaliśmy przy momencie zaczepowym.

Formalności - kiedy trzeba zgłosić

Domowa elektrownia wiatrowa nie jest w Polsce urządzeniem całkowicie dowolnym. Przepisy przewidują próg, poniżej którego mała instalacja przydomowa nie wymaga pozwolenia na budowę, a powyżej którego pojawiają się obowiązki - zgłoszenie, dokumentacja albo pozwolenie. Osobno regulowane jest przyłączenie instalacji do sieci elektroenergetycznej: operator sieci ma własną procedurę zgłoszeniową i własne wymagania techniczne wobec urządzeń, które podłączasz.

Świadomie nie podajemy tutaj żadnych liczb, nazw ustaw ani numerów artykułów. Te przepisy zmieniają się częściej niż treść tej strony, a instalacja postawiona według nieaktualnej wersji jest instalacją nielegalną. Przed rozpoczęciem budowy zapytaj w wydziale architektury swojej gminy o wymogi budowlane, a u operatora sieci - o warunki przyłączenia. Oba pytania są bezpłatne i zajmują jedno popołudnie.

Osobno warto sprawdzić miejscowy plan zagospodarowania przestrzennego, bo część gmin ogranicza wysokość konstrukcji na działkach mieszkalnych, oraz odległość od granicy działki i od budynków sąsiadów. Hałas wirnika przy silnym wietrze bywa realnym powodem sporu, nawet jeśli konstrukcja jest zgodna z prawem budowlanym.

Kolejność, w jakiej to składać

Na koniec praktyczna wskazówka wynikająca z całej powyższej treści. Kolejność decyzji ma znaczenie, bo każda następna zależy od poprzedniej.

Zacznij od sprawdzenia, jaki wiatr masz u siebie i na jakiej wysokości - to przesądza, czy cała inwestycja ma sens. Potem wybierz typ wirnika i średnicę, bo z nich wynika moment rozruchowy. Dopiero mając tę liczbę, dobieraj prądnicę i liczbę biegunów tak, żeby jej moment zaczepowy był mniejszy od momentu rozruchowego śmigła. Na samym końcu policz zwoje i dobierz magnesy do wymiaru wirnika. Odwrotna kolejność - najpierw magnesy, potem reszta - kończy się prądnicą, która pięknie działa na stole i stoi na maszcie.