Współczesne rozwiązania małych elektrowni wiatrowych

Transkrypt

1 Współczesne rozwiązania małych elektrowni wiatrowych Autor: Marek Klonowski, Wind Prospect ( Czysta Energia 7-8/2012) Konieczność wytwarzania energii z paliw kopalnych to mit skutecznie podtrzymywany przez tych, którym się to po prostu opłaca. Pierwszym krokiem do niezależności energetycznej może być mikrogeneracja. Małe turbiny wiatrowe mogą w dużej mierze pokryć zapotrzebowanie na energię na terenach niezurbanizowanych. Warto znać współczesne rozwiązania i problemy związane z ich zastosowaniem. Ważną sprawą jest np. zabezpieczenie przed nadmierną prędkością obrotową maszyn. W większości lokalizacji z najlepszymi warunkami wietrzności często występują wiatry sztormowe, mogące doprowadzić do zniszczenia maszyny (nadmierna siła odśrodkowa jest w stanie rozerwać wirnik). Metody zabezpieczeń W małych elektrowniach wiatrowych do mocy 10 kw znalazły zastosowanie trzy główne metody zabezpieczenia przed nadmierną prędkością obrotową: Pierwsza metoda, furling (rys. 1), polega na odchyleniu osi wirnika od kierunku wiatru (przy pomocy specjalnej konstrukcji ogona). Rozwiązanie jest tanie, lecz po przekroczeniu pewnej prędkości wiatru (furling wind speed) ilość energii produkowanej przez turbinę znacznie maleje. Na Youtube można znaleźć wiele filmików (należy wpisać furling wind turbine ), ukazujących mechanizm w akcji. Rys. 1. Metoda zabezpieczenia furling Druga metoda to hamowanie elektromagnetyczne. Polega ona na zwieraniu wyjścia z generatora, co powoduje wytworzenie dużej siły hamującej wirnik. Niezbędny jest odpowiedni kontroler tym sterujący. Rozwiązanie to jest stosowane na przykład przez firmę SWWP w małych turbinkach Air Breeze. Jak Po przekroczeniu pewnej prędkości wiatru generowana moc spada niemal do zera. Trzecia metoda (Passive Pitch Control) polega na zmianie kąta natarcia łopatki, co wywołuje zmianę siły nośnej, a to z kolei ogranicza obroty, jednocześnie pozwalając na dalsze generowanie energii przy silnych wiatrach. Jest to najlepsze rozwiązanie, ale wiąże się z dodatkowym mechanizmem, który zazwyczaj składa się z ciężarków zamocowanych przy łopatkach (lub opiera się na sile oddziaływania masy samych łopatek), które przy odpowiednio dużej prędkości obrotowej (siła odśrodkowa) naciskają na sprężynę (przy mniejszym wietrze niepozwalającą im się ruszyć) i powodują zmianę kąta natarcia łopatek. Ogranicza to dalsze zwiększanie się prędkości obrotowej.

2 Rys. Metoda zmiany kąta natarcia pod wpływem siły odśrodkowej działającej na ciężarki Pozostałe metody, takie jak hamulce lub zmiana kąta natarcia końcówki łopatki, nie znalazły zastosowania w najmniejszych maszynach. Sposób ukierunkowania do wiatru Aby utrzymać wirnik turbiny odpowiednio ustawiony do kierunku wiatru, w małych turbinach zazwyczaj stosuje się ogon (na stałe lub w ramach mechanizmu furling). Innym rozwiązaniem jest ukierunkowanie turbiny za pomocą mechanizmu zwanego YAW, umieszczonego w gondoli. Nie jest on jednak wykorzystywany w najmniejszych turbinach. Trzecim rozwiązaniem jest pochylenie łopatek wirnika w taki sposób, że turbina sama ustawia się do wiatru ( przykład c rys. 2), zmniejsza to rozmiary turbiny (brak ogona), ale redukuje też jej współczynnik wykorzystania wiatru (pochylone łopatki pracują słabiej). Moc małej turbiny wiatrowej. Rys 2 Pochylenie łopatek wirnika Wymagania dotyczące poprawności krzywej mocy podawanej przez producenta elektrowni wiatrowej są ściśle określone w przypadku dużych komercyjnych turbin. Po wybudowaniu farmy wiatrowej przeprowadza się testy krzywej mocy i jeśli turbina nie przejdzie ich pomyślnie, producent narażony jest na utratę reputacji i konsekwencje finansowe.

3 W przypadku małych elektrowni wiatrowych regulacje dopiero są tworzone. W niektórych krajach z systemem wsparcia dla mikrogeneracji działają instytuty, które certyfikują daną turbinę (w Wielkiej Brytanii Microgeneration Certificate Scheme MCS, w Danii Danish Certification, w USA Small Wind Certification Council SWCC). Nie każdy producent małej turbiny może sobie pozwolić na certyfikat którejś z wymienionych instytucji, gdyż wpisowe uiszczane przed testem to spory wydatek. Dlatego producenci czasem decydują się na testy w mniej znanych instytutach pomiarowych (np. NREL w USA czy SEPEN w Francji). Przed rozpoczęciem procesu certyfikacji turbin pasjonaci małej generacji wiatrowej przeprowadzali takie testy sami i publikowali ich wyniki w Internecie (np. Poul Gipe na stronach wind-works.org), dzięki czemu producenci zostali zmuszeni do podawania danych bardziej zbliżonych do rzeczywistych. Przykładowo turbinka Air Breeze początkowo była sprzedawana jako turbina 400 W. Obecnie to samo urządzenie można kupić pod nazwą 125 W. Producent, zakładając wygląd krzywej mocy przedstawiony na rysunku 3, może swoją turbinę oferować jako maszynę 2.4 kw (maksymalna moc chwilowa). Dlatego należy żądać przedstawienia krzywej mocy zbadanej przez niezależny instytut lub poprosić o wskazanie mocy, jaką urządzenie generuje przy 11 m/s (taką prędkość wiatru przyjmują wymienione instytuty jako wartość odniesienia w celu ewentualnego porównania turbin w omawianym przypadku chodzi o ok. 1.8kW). Rys. 3. Przykładowy wygląd krzywej mocy

4 Podczas procesu certyfikowania turbiny bada się także jej hałas i produktywność. Warto posiadać dostęp do rzeczywiście pomierzonych krzywych mocy poszczególnych modeli (szukaj w Google: nazwa turbiny power curve test lub na stronach Small Wind Certification Council w zakładce Certified turbines ). Wybrane modele turbin o mocy od 2 do 5 kw Pierwszy z modeli to Skystrem 3.7 (fot. 1). Średnica jego wirnika wynosi 3,7 m, a waga 93 kg. Jest to jeden z najpopularniejszych amerykańskich modeli. Wyróżnia go inwerter wbudowany w gondolę i charakterystyczny kształt łopatek. Wewnątrz gondoli, oprócz inwetera, znajduje się generator o magnesach trwałych oraz system Wi-Fi (widoczna antenka na gondoli ), który pozwala na monitorowanie wielu parametrów pracy turbiny. Turbina nie posiada mechanizmu zmiany kąta natarcia, natomiast zastosowano hamowanie elektrodynamiczne. Turbina posiada ciekawy design, ale niekoniecznie przekłada się to na produktywność. Marketing jednak robi swoje i turbinę sprzedano w tysiącach egzemplarzy (głównie w USA). Według SWCC, roczna produkcja przy średniej prędkości wiatru 5 m/s to 3420 kwh, a moc przy 11 m/s oszacowano na 2,1 kw. Fot. 1. Model turbiny Skystrem 3,7 Druga turbina, model Windspot 3.5 (fot. 2), ważąca 185 kg, to znakomita hiszpańska maszyna z 4- metrowym wirnikiem oraz mechanizmem zmiany kąta natarcia łopatki, bazującym na zasadzie siły odśrodkowej, oddziałującej na ciężarki. Dodatkowo wszystkie trzy łopatki połączone są specjalną klamrą, dzięki czemu odchylają się równomiernie. Maszynę do wiatru ukierunkowuje długi ogon, co w połączeniu z jej masą zapewnia stabilną pracę. Generator o magnesach trwałych przy współpracy z inwerterem posiadającym możliwość programowania krzywej mocy turbiny (Aurora lub SMA) tworzą doskonałą parę, pozwalającą utrzymać optymalną prędkość obrotową przy zmieniającej się prędkości wiatru (inaczej rzecz ujmując, inwerter zna krzywą mocy maszyny i wie, jak ją obciążać, więc łopatki nie kręcą się ani za szybko, ani za wolno więcej na Do zalet tej turbiny zalicza się

5 najniższą z przedstawionych w artykule modeli emisję hałasu. Turbina sprzedawana jest z pięcioletnią gwarancją. Według SEPEN, roczna produkcja prądu przy średniej prędkości wiatru 5 m/s wynosi 4802 kwh, a moc przy 11 m/s 3207 kw. Fot. 2. Turbina Windspot 3,5 kw Kolejna maszyna, KW3 (dawniej Proven 7), o średnicy wirnika 3,8 m to turbina stworzona z myślą o najbardziej ekstremalnych warunkach, bo takie panują na Wyspach Brytyjskich. Jej dwa podstawowe modele Proven 7 (2,5 kw) i Proven 11 (5,2 kw) zdobyły uznanie, dzięki długiej, niezawodnej pracy w wymagających lokalizacjach (np. na Antarktyce). W 2011 r. nastąpiła awaria łopatek w najnowszej turbinie Proven 35 (12 kw ). Sprzedane urządzenia okazały się awaryjne i firma zaprzestała ich dystrybuowania. Turbiny 2,5 kw i 5,2 kw nadal są w sprzedaży, ale już pod inną marką (Kingspan Wind). Turbiny Proven działają na zasadzie down-wind, co znaczy, że nie potrzebują ogona, a do wiatru ustawiają się dzięki specjalnej konstrukcji wirnika (pochylone łopatki). Bardzo istotne jest to, że turbiny posiadają oparty na sprężynach system odchylenia łopatek, co zabezpiecza przed osiągnięciem bardzo dużych obrotów. Jak na brytyjską konstrukcję przystało, turbiny te są też dość kosztowne. Według producenta, roczna produkcja przy średniej prędkości wiatru 5 m/s wynosi 4700 kwh, a moc przy 11 m/s to 2,5 kw

6 Fot. 3. Turbina KW3 Czwartym modelem turbiny jest Evance R9000 (fot. 4), ważący 325 kg i mający wirnik o średnicy 5,5 m. Jest to bardzo ładnie zaprojektowana brytyjska maszyna. Producent poleca inwertery windy boy (SMA) do współpracy z generatorem o magnesach trwałych. Turbina posiada system zmiany kąta natarcia łopatek. Jest to najwydajniejsza z wymienionych maszyn, ale też największa i najbardziej kosztowna. Koszt całkowitej instalacji przez akredytowanych w MCS instalatorów to ok funtów! Fot. 4. Turbina Evance R9000 Według MCS, roczna produkcja przy średniej prędkości wiatru 5 m/s to 9176 kwh, a moc przy 11 m/s wynosi 4711 W. W artykule zostały przedstawione jedynie cztery modele małych elektrowni wiatrowych (więcej modeli na które są dostępne na rynku od wielu lat i zyskały uznanie dzięki niezawodnej pracy. W ostatnich latach obserwuje się rosnące zainteresowanie tematem małych elektrowni wiatrowych. Na rysunku 4 przedstawiono zwiększającą się sprzedaż małych elektrowni wiatrowych na amerykańskim rynku wg AWEA w latach

7 Producenci z Chin, znani z atrakcyjnych cen swych produktów, także zareagowali na rosnący popyt, wypuszczając całą masę modeli. Należy jednak pamiętać, że cena to nie wszystko, bo turbina ma nam służyć przez długie lata, a jej bezawaryjna, cicha praca winna zapewnić nam spore oszczędności). Rys. 4. Sprzedaż małych elektrowni wiatrowych na amerykańskim rynku wg AWEA w latach