Siłownia wiatrowa o pionowej osi obrotu typu H-Darrieus

Transkrypt

1 SIŁOWNIE WIATROWE O PIONOWEJ OSI OBROTU Siłownie wiatrowe o pionowej osi obrotu rozwijały się znacznie wolniej w porównaniu z siłowniami o poziomej osi obrotu. Jednym z prekursorów ich rozwoju był francuz Darrieus w 1931 roku. Opatentował on wirnik, który jest obecnie nazywany od jego nazwiska. Mimo prostej budowy i braku potrzeby stosowania układu naprowadzania na kierunek wiatru wirnik tego typu nie znalazły bardzo dużego zastosowania. Jedną z przyczyn była wada siłowni polegająca na tym, że mają one prawie zerowy moment rozruchowy i potrzebują do rozruchu jakiegoś zewnętrznego napędu. Obecnie siłownie z wirnikiem Darrieusa mają w wyposażeniu silniki elektryczne, które pomagają przy rozruchu. Przykład pierwszej konstrukcji Darrieusa z 1931 r. Innym typem wirnika o pionowej osi obrotu jest wirnik konstruktora Darrieusa o nazwie H-Darrieus. Konstrukcja ta odznacza się jeszcze prostszą konstrukcją, gdyż łopaty wirnika są proste i umieszczone pionowo. Wirniki tego typu osiągnęły dość pokaźne rozmiary osiągając nawet 300kW mocy przy wymiarach (licząc powierzchnię omiataną w płaszczyźnie pionowej) zbliżonej do turbin tradycyjnych (o poziomej osi obrotu), z czego wynika stosunkowo wysoka sprawność tego typu wiatraków. Niestety trudno odnaleźć naukowe opracowania dotyczące tego typu urządzeń. Załóżmy że wybieramy ok. 0.1 m tradycyjnego wirnika, aby przeanalizować jego wagę dla wytwarzania energii. Gdy weźmiemy ten wycinek koło osi obrotu otrzymamy: P=II*r 2 = 3.14*0.1 2 = 0,03 m 2, lecz gdy weźmiemy wycinek odległy o 1 m od osi obrotu deltap=p 2 -P 1 =(II*1.1 2 )-(II*1 2 )=3,7994-3,14 = 0,66 m 2 gdy to samo policzymy dla odległości 10 m od osi.. deltap=p 2 -P 1 =(II* )-(II*10 2 )=320, = 6,31 m 2 Widać z tego, że największy udział w produkcji energii ma zewnętrzna część wirnika - środek ma marginalne znaczenie. W przypadku H-rotora cała łopata znajduje się w maksymalnej odległości od osi obrotu. Dlaczego więc nie jest to najsprawniejszy ze znanych wiatraków? Łopaty tego wirnika wraz z ruchem obrotowym stale zmieniają kąt natarcia względem wiejącego wiatru od kątów ujemnych poprzez optymalne (wtedy faktycznie chwilowa sprawność jest bardzo wysoka) aż do przekroczenia krytycznych kątów natarcia (przeciągnięcia). Dodatkowo gdy jedna łopata Siłownia wiatrowa o pionowej osi obrotu typu H-Darrieus

2 "pracuje dla nas", ta która znajduje się po przeciwnej stronie wirnika "robi krecią robotę" wytwarzając niepotrzebny lecz oczywisty opór. Kolejnym typem wirnika siłowni wiatrowych o pionowej osi obrotu jest wirnik Savoniusa. Wirnik tego typu został opisany przez S.J.Savoniusa ok roku. Wirnik ten nie może konkurować jeśli chodzi o sprawność z typowymi wiatrakami o poziomej osi obrotu lub z wirnikiem Darriusa lecz przewagą jego jest prostota konstrukcji. Istotą działania jest wykorzystanie przede wszystkim siły parcia wiatru, lecz także (choć w niewielkim stopniu) siły nośnej. Ze względu na stosunkowo duży moment startowy wirniki tego typu zwykle wykorzystywane są do napędzania pomp wodnych. Istnieje wiele konstrukcji Działamie wirnika typu Savoniusa typowo amatorskich budowanych ze stalowych beczek lub blachy falistej. Działanie wirnika pokazano w przykładowej animacji obok. W trakcie badań w tunelu aerodynamicznym w Sandia Laboratories wykonano kilkanaście testów różnych konfiguracji wirnika. W podsumowaniu stwierdzono że: Optymalnym jest wirnik Savoniusa o: - jedynie 2 łopatach (większa ilość łopat zmniejsza uzależnienie wielkości momentu startowego od kąta położenia łopat względem kierunku wiatru, lecz obniża sprawność tego typu wirnika). - w celu wyrównania momentu startowego należy na osi umieścić dwa takie zestawy obrócone względem siebie o 90 stopni. - średnica otworu (przerwy pomiędzy płatami) powinna zawierać się w granicach średnicy jednego płata. Wirnik typu Savoniusa w przekroju - stosunek wysokości do średnicy ma wpływ na sprawność - im wyższy stosunek wysokości do średnicy tym bardziej sprawność rośnie (lecz nie tak mocno...) Z innych opracowań wynika, że "koła" ograniczające łopaty od góry i dołu powinny mieć ok. 5-10% większą średnicę od samych łopat - zapobiega to ucieczce wiatru bokami. Drugim sposobem zwiększenia efektywności jest brak pionowej osi w wolnej przestrzeni pomiędzy łopatami (i tu zaczyna się problem wyboru - sztywność konstrukcji czy niewiele wyższa sprawność). W podsumowaniu można zgeneralizować, że wirniki typu Savoniusa cechuje prostota konstrukcji, duży moment startowy umożliwiający pracę przy bardzo słabych wiatrach. Przy odpowiednim wykonaniu możliwość przetrwania wiatrów do ok.60 m/s, praktycznie bezgłośna praca samego wirnika. Do wad Przykład konstrukcji siłowni można zaliczyć niską sprawność, a co za tym idzie duże wymiary dla uzyskania wiatrowej o pionowej osi obrotu określonej mocy. typu Savoniusa Z wszelkiego rodzaju publikacji wynika, że wirnik typu Darrieusa ma praktycznie zerowy moment startowy, w związku z czym konieczne jest wstępne napędzenie. Przykładem rozwiązania tego problemu jest zdjęcie obok ukazujące wirnik Darrieus'a wyposażony w dwa pomocnicze wirniki Savoniusa. Jest to dość nietypowe rozwiązanie - zwykle do tego celu wykorzystuje się silnik elektryczny. Przykład konstrukcji łączonej, główny wirnik typu Darrieusa, natomiast pomocniczy Savoniusa.

3 Na zdjęciu obok przedstawiony jest wiatrak Kirke-Lazauskas o mocy 3 kw jest on odmianą wirnika H-Darrieusa. Trudno jest znaleźć komercyjne rozwiązania wiatraków tego typu. Siłownia została wyposażona w układ odśrodkowej regulacji kąta natarcia łopat. Dzięki temu można regulować pozyskiwaną moc w zależności od prędkości wiatru. Przy pomocy tego rozwiązania siłownia może pracować efektywniej i przy znacznie większych prędkościach wiatru, jak również bywa to przy siłowniach o poziomej osi obrotu można utyrzymywać stałą prędkość obrotową wirnika. Zdjęcie poniżej przedstawia siłownie wiatrową, która została wykonana w laboratorium aerodynamicznym na Uniwersytecie w Saratowie. Siłownia tego typu ma średnicę 1,9 m długości łopat 2 m i wysokości masztu 5,5 m. Daje ona podobno 1,5 kw mocy. Według danych ze strony internetowej laboratorium istnieje silna zależność momentu startowego od stosunku cięciwy (szerokości) łopat do średnicy wirnika. Przykład konstrukcji H-Darrieus. Przykład konstrukcji siłowni wiatrowej wykonanej na Uniwersytecie w Saratowie. Stosowane są również odmiany z ruchomym zawieszeniem łopat, lub tak jak w wypadku siłowni wiatrowej o osi pionowej "Windstar" firmy Wind Harvest (o mocach 25 i 50 kw uzyskiwanych z powierzchni 58 i 116 m 2 ) zespoły o większej ilości łopat. Przykład siłowni wiatrowej o osi pionowej firmy Wind Harvest Istnieją "wariacje" na temat tej turbiny np. "świderkowe" turbiny fińskiej firmy WINDSIDE. Na rysunkach obok i po spodem przedstawiona jest konstrukcja małego wiatraka tej firmy. Atutem akcentowanym przez producenta jest zdolność do przetrwania silnych wiatrów, oraz wykorzystanie siły wiatru nawet od 1,5 m/s! Dodatkowo turbiny tego typu nie generują prawie żadnych dźwięków (w

4 odróżnieniu od np. tradycyjnych wiatraków - gdzie końcówki łopat poruszają się z szybkością 250 km/h (dane dla wirnika 22m przy 60 obr./min.). Siłownie tego typu już przy powierzchni, na którą działa wiatr 2 m 2 osiągają moc 50 W przy prędkości wiatru 6 m/s. Całkowita masa takiej siłowni wiatrowej wynosi 200 kg. Napęd z wirnika przenoszony jest bezpośrednio na prądnicę, nie stosuj się tutaj przekładni zębatych. Dzięki temu siłownie te są stosunkowo lekkie i niedrogie. Zaleta ta pozwala instalować je na już użytkowanych obiektach, budynkach, wieżach itp. Zainstalowanie kilku niewielkich siłowni może dać niezły rezultat przy założeniu, że siłownie będą umieszczone na wysokości o zasobach energetycznych równych 100 W/m 2 i prędkości średniej wiatru 5 m/s to uzyskamy 301 kwh/rok energii elektrycznej. Na Międzynarodowych Targach Przemysłowych - Hanower'96, niemiecka firma B. Heynck pokazał nowe rozwiązanie konstrukcyjne elektrowni wiatrowej. Charakterystyczny dla tych elektrowni jest cylindryczny wieniec łopatek wirnika z pionową osią obrotu. Profil łopatek nieco przypomina profil używany w elektrowniach wiatrowych o poziomej osi obrotu, z tą różnicą, że te łopatki nie są skręcone. W materiałach firmowych podkreślane są nastepujące zalety tego rodzaju konstrukcji: - lekka, samonastrawna, - cicha praca, - działanie niezależne od kierunku wiatru, - rozruch bez przekładni, - brak strat przekładniowych, - prędkość obrotowa większa niż prędkość wiatru, - możliwość montażu bez masztu na halach i płaskich dachach.

5 Firma zprezentowała dwa modele elektrowni: Moc [W] Wymiary [mm] D H h (5000) (5000) Masa [kg] 48 (bez masztu) 1500 (z masztem h=5000 mm) Prędkość wiatru [m/s] rozruch od 2 rozruch od 2 Prędkość wiatru [m/s] oddawanie energii od 3 oddawanie energii od 3 największa moc ciągła od Prędkość wiatru [m/s] największa moc ciągła od 14 9 Założenia: Przykładowe obliczenia doboru elektrowni wiatrowej. a) Wielkość dobieranej elektrowni wiatrowej należy traktować jako minimalną do zadanych warunków, b) Dobrana elektrownia określana jest za pomocą średnicy wirnika i należy do grupy szybkobieżnych - 3 łopatowych, klasycznych elektrowni o poziomej osi obrotu wirnika, c) Podawaną w tablicy średnią prędkość wiatru dla danego rejonu Polski należy traktować orientacyjnie, d) Średnia prędkość wiatru podawana jest na wysokości 20 m nad poziomem gruntu, e) Gęstość powietrza przyjęta została do obliczeń dla temperatury 15 stopni C i wynosi = 1,225 kg/m 3, f) Sprawność elektrowni wiatrowej (całkowita: wirnik, przekładnia, generator) = 0,3. 1. Najpierw należy określić rejon Polski, w którym chcemy umieścić elektrownie wiatrową. Aby dokonać prawidłowego doboru rejon należy obejrzeć => MAPĘ. 2. Następnie z poniższej tabeli należy dobrać dla wybranego rejonu średnią prędkość wiatru. Rejon Średnia prędkość wiatru na wys. 20 m n.p.g I 5-6 II 4,5-5 III 4-4,5 IV, V, VI warunki niekorzystne i tereny wyłączone, v<4 m/s 3. Jeżeli mamy duże zapotrzebowanie na energię elektryczną, to potrzebujemy dużej elektrowni wiatrowej. Ponieważ duże elektrownie wiatrowe umieszczane są na wysokich wieżach istnieje potrzeba przeliczenia (i zarazem możliwość zobrazowani wzrostu średniej prędkości wiatru w zależności od wysokości nad poziomem gruntu) średniej prędkości wiatru z wys. 20 m na dowolną do 100 m n. p. g. Do określenia średniej prędkości wiatru na dowolnej wysokości można wykorzystać Arkusz kalkulacyjny. Do określenia średniej prędkości wiatru na dowolnej wysokości zastosuje się wzór, zgodnie z którym stosunek prędkości v 1 na wysokości Z 1 do prędkości v 2 na wysokości Z 2 wynosi: gdzie: v 1 / v 2 = (Z 1 / Z 2 ) 3a v - średnia prędkość wiatru w m/s na wysokościach Z 1 i Z 2, a - wykładnik potęgowy zależny od szorstkości podłoża. Wartość wykładnika potęgi można dobrać z tablicy szorstkości.

6 4. Teraz należy określić wielkość zapotrzebowania na energię elektryczną. Wartość tą należy podać w kwh/rok. Po podstawieniu do poniższego wzoru E - zapotrzebowania na energię elektryczną i średniej prędkości wiatru na wybranej wysokości nad poziomem gruntu obliczamy promień wirnika elektrowni 3 łopatowej o osi poziomej. - gęstośc powietrza 1,225 kg/m 3 dla 15 st. C, E - zapotrzebowanie na energię elektryczna kwh/rok, v - średnia prędkość wiatru na danej wysokości powyżej pow. gruntu, t - czas (liczba godzin w roku) h, - sprawność całokwita elektrowni wiatrowej (przekładnia, wirnik, prądnica) Z powyższego obliczenia wynika, że minimalną elektrownią wiatrową jaka spełniała by oczekiwania była by elektrownia o średnicy wirnika około 5 m co odpowiada mocy elektrowni około 5 kw. ENERGIA WIATRU Ktoś kto kiedyś wymyślił zwrot "walka z wiatrakami" jako określenie bezsensownej batalii przeciwko czemuś co i tak musi nastąpić, nawet nie przypuszczał, że będzie to miało kiedyś bezpośrednie znaczenie. Obecnie walka z wiatrakami mija się z celem gdyż bez żadnego oporu podbijają one kolejne kraje świata oraz serca ich mieszkańców. m Energia wiatru jest de facto odmianą energii słonecznej. Wiatr jako źródło energii został dostrzeżony stosunkowo wcześnie. Nic w tym dziwnego. W jeden wietrzny dzień można było wykonać więcej pracy dzięki wiatrakom niż przez tydzień ręcznie. Były one znane w starożytnych Chinach, Babilonii. W VIII wieku naszej ery powstały pierwsze wiatraki w Holandii. Jednak największe znaczenie miały one w XVI i XVII wieku. Po wynalezieniu maszyny parowej ich znaczenie zmalało, aby mogły przeżyć ponowny renesans pod koniec XX wieku. Ich liczba ciągle wzrasta a ich produkcja jest obecnie tak duża, że stanowią np. trzeci główny produkt eksportowy takich "wiatrakowych potęg" jak Dania. Ich liczba w tym kraju wynosi ok sztuk. Wiatrak na zdjęciu powyżej służy do produkcji prądu. Mierzy 60 metrów a średnica jego rotora wynosi 44 metry. Jego moc to 660 kw. Jest to wiatrak stosunkowo dużej wielkości i mocy - największy dostępny na rynku ma moc 2 MW. Są jednak również i wiatraki zupełnie małe, do przydomowej produkcji prądu w gospodarstwie rolniczym, czy na działkę. Poniżej przedstawiony jest wiatrak o pionowej osi obrotu projektu ECO-IDEA produkowany przez firmę SURpol.

7 Wszystkie wiatraki składają się z kilku niezastąpionych elementów: - rotora / wirnika - składającego się z kilku łopat/ - konstrukcji nośnej - przekładni i generatora. W przypadku dużych wiatraków klasycznych niezbędna jest wieża, na której całość jest zamontowana, system hamulcowy, system przełożeń, instalacja odgromowa, oraz różnego typu instalacje meteorologiczne, kontrolne i sterujące (nie dotyczy to małych i średnich wiatraków o pionowej osi obrotu, które mają prostą i mocną budowę - bez konieczności stosowania przekładni, systemu hamowania, ustawiania na wiatr itp. dodatkowych urządzeń). Oczywiście aby wiatrak działał, potrzebny jest wiatr. Większość dużych (klasycznych) wiatraków zaczyna produkować prąd przy prędkości wiatru 5-8 m/s przy czym uzyskują optimum przy prędkości m/s. Po przekroczeniu tych wartości wydajność znowu spada aż to zupełnego zatrzymania i odwrócenia wiatraka od wiatru gdy jego prędkość przekroczy bezpieczną granicę. Elektrownie o pionowej osi obrotu pracują niezależnie od kierunku wiatru, nie wymagają więc mechanizmu "ustawiania na wiatr". Wiatraki o pionowej osi obrotu startują już przy lekkim wietrze (ok. 2m/s). Bardzo istotne jest to, że wykorzystują krótkotrwałe podmuchy ze wszystkich kierunków - także z dołu i z góry. Wykorzystują każdy wiatr, więc pomimo mniejszej sprawności osiągają dobre wyniki. Prąd wyprodukowany za pomocą wiatraków można zmagazynować w akumulatorach (rozwiązanie zalecane w przypadku małych, przydomowych elektrowni) bądź sprzedać do sieci (przy czym dostawca energii wyprodukowanej w ten sposób ma pierwszeństwo nad innymi dostawcami a państwowy odbiorca musi przyjąć całą wyprodukowaną przez niego energię - tak mówi polskie prawo). Turbina WT 8 Mała turbina wiatrowa do zastosowań stacjonarnych. - moc max W,

8 - maksymalna wydajność około 192 kwh/dzień, - wysoka wydajność, - prosta instalacja, - brak kosztów eksploatacyjnych, - wysoka niezawodność i żywotność, - odporna na wyładowania atmosferyczne. Zastosowanie: - domki letniskowe, - domy jednorodzinne, - małe zakłady usługowe, - małe firmy produkcyjne, - małe hotele, - pompowanie wody. Generator - generator synchroniczny, stałowzbudny, trójfazowy 230/400 V. Regulator - regulator ładowania pozwala kontrolować proces ładowania akumulatorów oraz zabezpiecza przed nadmiernym rozładowaniem. Wirnik - składa się z trzech łopat wykonanych z włókna szklanego laminowanego żywicą epoksydową. Gwarancja - 24 miesiące. Dane techniczne: Typ WT 8 Generator Synchroniczny stało wzbudny Moc [kw] 8 Napięcie generatora [V] 230/400 Moc nominalna [m/s] 12 Rozruch [m/s] 3.5 Odporność na wiatr [m/s] 55 Obroty [obr./min] 220 Ilość łopat 3 Średnica wirnika [m] 5.4 Emisja hałasu [db] < 38 Masa turbiny [kg] 400 Turbina aerosmart5 Mała turbina wiatrowa do zastosowań stacjonarnych. - moc max. 5 kw, - maksymalna wydajność około 120 kwh/dzień, - prosta instalacja, - brak kosztów eksploatacyjnych, - wysoka niezawodność i żywotność, - niska masa i gabaryty, - odporna na wyładowania atmosferyczne. Zastosowanie: - domy jednorodzinne, - małe zakłady produkcyjne, - pensjonaty,

9 0 - gospodarstwa rolne, - małe hotele. aerosmart5 - zaprojektowana została z myślą o zasilaniu bezpośrednio instalacji 400 V / 230 V 50 Hz. Wyposażona jest w inteligentny system kontroli podobny jak w dużych turbinach. aerosmart5 - charakteryzuje się wysoką jakością wykonania. Do produkcji użyto najwyższej jakości materiałów. Zapewnia to bardzo długą żywotność. Dane techniczne: Generator asynchroniczny Moc [W] 5000 Napięcie generatora [V] 400 Moc nominalna [m/s] 13.5 Rozruch [m/s] 3.5 Ilość łopat 3 Średnica wirnika [m] 5.1 Nakierowanie wirnika automatyczne Waga [kg] 141 Przeliczanie m/s na km/h Podaj m/s Wynik w km/h 0 0 Wpisz w polu daną wartość i naciśnij ENTER; aby wyczyścić naciśnij "Cofnij"; wyłączając nie zapisuj zmian; ułamki po przecinku. Aby obliczyć należy 2-krotnie kliknąć na pole m/s i nacisnąć Od dawna interesowały mnie niekonwencjonalne źródła energii a w szczególności amatorskie elektrownie wiatrowe. Problemem takich elektrowni jest mechaniczne sprzężenie wiatraka, którego obroty z natury są niezbyt duże z prądnicą, której efektywna praca wymaga z kolei dużych obrotów. I tu spotkałem rozwiązanie w postaci amatorskiej prądnicy z magnesami neodymowymi tzw. amerykanki. W internecie znaleźć można mnóstwo informacji praktycznych z gotowymi propozycjami konstrukcji takiej prądnicy. Spotkałem również mnóstwo pytań zadawanych szczególnie przez mniej zaawansowanych technicznie o szczegóły techniczne na które odpowiedzi znaleźć bardzo trudno. Do pytań takich należą: Jak określić moc prądnicy? Jak określić napięcie dawane przez prądnicę? Jak określić parametry cewki?; ilość zwojów, grubość drutu Jakie wymiary powinna mieć cewka? Ile cewek powinno być na obwodzie tarczy? Jaka jest zależność między ilością cewek a ilością par magnesów? Jakie wymiary powinien mieć magnes? Dlaczego prądnica wielofazowa (trzyfazowa) jest lepsza od jednofazowej? Znajomość odpowiedzi na powyższe pytania umożliwia świadomy wybór rozwiązań konstrukcyjnych prądnicy. Zanim jednak przejdziemy do odpowiedzi, niestety trochę koniecznej teorii. Napięcie w prądnicy powstaje na skutek ruchu przewodnika elektrycznego (drutu) względem pola magnetycznego, w amerykance, wytworzonego przez parę (dwa) magnesów. Wartość tego napięcia (ściślej mówiąc, siły elektromotorycznej) określa wzór: E=Bvl Gdzie: E to siła elektromotoryczna (napięcie) mierzona na końcach drutu (cewki) B indukcja magnetyczna w przestrzeni gdzie porusza się drut, zależna od siły magnesów i odległości między

10 nimi. v prędkość względna między polem magnetycznym (magnesami) a drutem (cewką), zależna od obrotów prądnicy (wiatraka) i średnicy tarcz l długość drutu znajdującego się w polu magnetycznym (ilość zwojów cewki) Jest to podstawowa zależność, której znajomość i rozumienie jest konieczne dla każdego pasjonata MEW. No to budujemy na razie na monitorze Nawijamy cewkę o kształcie prostokątnym, obok tworzymy parę magnesów z odległością między nimi nieco większą od grubości cewki Rozpoczynamy przesuwać magnesy względem cewki z prędkością v. Dokąd magnesy są poza cewką, nic się nie dzieje, dalej, wartość indukowanego w cewce napięcia chwilowego pokazuje na wykresie poniżej gruba strzałka napięcie to można zmierzyć na jaj końcówkach. Najwyższe napięci o wartości u będzie indukowane kiedy cały bok a cewki znajdzie się między magnesami. Pierwsza wskazówka: magnes powinien być co najmniej tak szeroki jak bok cewki W miarę przesuwania magnesu napięcie maleje, aby osiągnąć wartość 0 kiedy magnes znajdzie się po środku cewki. Dalej, magnes zaczyna nasuwać się na bok b cewki i w zwojach tego boku zaczyna być indukowane napięcie, ponieważ kierunek zwojów jest przeciwny, również napięcie będzie miało przeciwną -u wartość. Druga wskazówka: napięcia indukowane przez magnes w obu bokach mają przeciwne kierunki, nie jest więc wskazane aby oba boki znalazły się jednocześnie pod tym samym magnesem, stąd wynika, że szerokość magnesu powinna być mniejsza niż suma szerokości jednego boku cewki i jej otworu. Zwiększamy sprawność Łatwo zauważyć, że w powstawaniu napięcia bierze udział tylko jeden bok cewki, na dodatek, jeśli taką parę magnesów umieścimy na obrotowej tarczy, fragment sinusoidy z wykresu, pojawi się raz na obrót tarczy. Aby uaktywnić równocześnie oba boki cewki wystarczy dołożyć druga parę magnesów tak aby obie pary jednocześnie znalazły się nad bokami cewki. Zwrócić trzeba uwagę, że aby napięcia z obu boków się dodawały, należy odwrócić biegunowość drugiej pary magnesów, wówczas na końcówkach cewki otrzymamy napięcie dwukrotnie większe, ale dalej będzie to fragment sinusoidy raz na obrót tarczy. Uniknąć tego można zapewniając ciągłość nasuwania się magnesów na cewkę, czyli rozmieścić je równomiernie na obwodzie tarczy z uwzględnieniem dwóch poprzednich wskazówek. I oto, zgodnie z wszelkimi zasadami, zbudowaliśmy jednofazową prądnicę prądu zmiennego. Jakie napięcie daje taka prądnica? Tu odpowiedź nie jest prosta. O ile prędkość v możemy ustalić na podstawie obrotów wiatraka, długość drutu l to będzie 2 razy długość magnesu (bo jednocześnie dwie pary magnesów są nad cewką) razy ilość zwojów w cewce, to B czyli indukcja jest w amatorskiej konstrukcji wielka niewiadomą. Najprościej jest porównać osiągi prądnicy o podobnych parametrach mechanicznych i znając jej uzwojenie można ze wzoru obliczyć wartość występującej tam indukcji, pozwoli to przynajmniej zgrubnie przewidzieć wartość indukowanego napięcia w naszej prądnicy. Jaką moc dostarczy prądnica? Jak wiadomo moc P jest iloczynem napięcia U i prądu I P=U I O ile wartości indukcji i prędkość, dla danej konstrukcji są ustalone, wówczas napięcie U zależne jest od ilości zwojów w cewce, natomiast prąd I limitowany jest dopuszczalnym prądem w uzwojeniu (średnicą, przekrojem drutu). Warto zauważyć, że obie wartości, długość i przekrój drutu są ze sobą związane odwrotną proporcjonalnością i dla danych warunków tworzą stałą wartość objętości. Nie jest zatem ważne jakiego potrzebujemy napięcia, bo przy mniejszym napięciu można zwiększyć przekrój drutu co pozwoli pobierać większy prąd i odwrotni, moc zaś, przy stałej objętości miedzi, zawsze pozostanie ta sama. Czwarta wskazówka: dla ustalonych wartości B i v moc prądnicy zależy od objętości miedzi jaką zmieścimy w przestrzeni między magnesami.

11 Zwiększamy moc W kontekście ostatniej wskazówki, nasza prądnica wygląda bardzo skromnie. Na całym obwodzie tarczy jest jedna cewka i mnóstwo wolnej przestrzeni. Nawijamy zatem następne identyczne cewki i montujemy na tarczy. Rozmieszczenie cewek na obwodzie w zasadzie może być dowolne a uwzględniając czwartą wskazówkę, powinniśmy umieścić je ciasno jedna obok drugiej. Rozumowanie jest słuszne dokąd każdą cewkę będziemy traktowali jako oddzielne źródło napięcia. Gorzej jeśli zechcemy połączyć dwie lub więcej cewek np.: w celu podwyższenia napięcia. Wtedy muszą być spełnione warunki zgodności fazy we wszystkich cewkach. Mówiąc inaczej, napięcie w każdej cewce powinno przechodzić przez wartość 0 w tej samej chwili (warunek prawidłowego łączenia szeregowego). Jeśli warunek ten nie będzie spełniony, wówczas napięcie na połączonych cewkach będzie niższe niż suma napięć poszczególnych cewek. Cewki zatem należy rozmieścić tak aby odległość między nimi była równa szerokości otworu cewki. Ilość cewek jest dowolna. Par magnesów zaś powinno być dwa razy tyle. Zbudowaliśmy przyzwoitą prądnicę jednofazową w której, przez dowolne łączenie cewek możemy uzyskać odpowiednie napięcie, lub kilka niezależnych napięć. Nie jest natomiast wskazane równoległe łączenie cewek. Bierze się to stąd, że w warunkach amatorskich nie jesteśmy w stanie zapewnić całkowitą symetrię uzwojeń i strumieni magnetycznych, zatem napięcia poszczególnych cewek minimalnie się różnią, co nie ma znaczenia przy łączeniu szeregowym, natomiast przy połączeniu równoległym, powoduje przepływ prądów wyrównawczych lub nierównomierne obciążenie uzwojeń. W przypadku większych wymagań prądowych lepiej jest nawijać cewki grubszym drutem. Będziemy mogli pobierać większy prąd kosztem niższego napięci, czyli jak przy połączeniach równoległych. Ile cewek? czyli wolnobieżność Odpowiedź na to pytanie związana jest z tzw. wolnobieżnością prądnicy. Konstruktorzy MEW poszukują do swoich konstrukcji prądnic wolnobieżnych, tylko co oznacza wolnobieżność? Pojęcie takie ma sens jeśli prądnica ma współpracować z siecią energetyczną. Dla takiej współpracy muszą być spełnione odpowiednie warunki i wolnobieżność prądnicy współpracującej oznacza, że warunki te spełnione zostają przy niższych obrotach prądnicy. Amerykanki nie nadają się do bezpośredniej współpracy z siecią energetyczną, natomiast doskonale nadają się do zasilania elementów grzejnych lub ładowania akumulatorów i tu pojęcie wolnobieżności traci sens. Podam taki przykład: amerykanka przy obrotach 1000 min oddaje moc 1000W, z naszego wzoru wynika, że przy obrotach 500 min odda 500W zaś przy 2000 min odda 2000W. Zatem jaka ona jest? Dla mocy 500W jest wolnoobrotowa, dla mocy 2000W ta sama prądnica jest szybkoobrotowa i tyle. Różnicą w obu typach pracy tej prądnicy jest tylko częstotliwość prądu. Jeśli dla 1000obr min, z ilości cewek i magnesów wynika, że częstotliwość jest 50Hz to przy obrotach 500 min będzie 25Hz, zaś przy 2000 min będzie 100Hz. Dla wspomnianych wyżej zastosowaniach nie ma to jednak istotnego znaczenia. Oczywiście można zbudować prądnicę która przy 500obr min odda 1000W ale z naszego wzoru wynika, że jej średnica będzie ok.2x a ściślej 1,41x większa (większe V) lub musi mieć dwa razy więcej miedzi (2xl) co tak czy inaczej spowoduje dwukrotne zwiększenie ciężaru. Widać wyraźnie, czym okupiona jest tzw. wolnobieżność prądnicy. Powyższe rozważanie dają do zastanowienia, bo co lepiej się opłaca? czy zastosowanie dużej ciężkiej i drogiej prądnicy bezpośrednio na wale turbiny, czy małej, lekkiej, tańszej i łatwiejszej do wykonania, napędzanej przez przekładnię choćby 1:2. Drugie rozwiązanie ma jeszcze dodatkowa zaletę. Wiadomo, że nie jesteśmy w stanie dokładnie określić mocy (napięcia) oddawanej przez zbudowaną prądnicę, zatem z całą pewnością turbina nie będzie dopasowana mocowo. I tu proste rozwiązanie, ponieważ z rozważań wynika, że moc danej prądnicy zależy od jej obrotów, wówczas możemy tak dobrać wielkość przełożenia przekładni aby moc turbiny była w pełni wykorzystana. To ile tych cewek? Aby to wreszcie określić musimy przyjąć jakieś założenia. Załóżmy zatem, że raczej z przyzwyczajenia, chcemy aby przy obrotach turbiny dla średniego wiatru częstotliwość napięcia w naszej turbinie była 50Hz. Obroty turbiny będą zależały oczywiście od jej wielkości ale dla danej wielkości można określić je dość dokładnie. Załóżmy, że w naszej turbinie będą 200 min. Jeśli przy tych założeniach prądnicę chcemy umieścić bezpośrednio na wale turbiny wówczas ilość cewek będzie: n=50 (200 60)= 15. Jeśli zastosujemy przekładnię 1:2 cewek będzie dwa razy mniej, czyli 7 lub 8. Warto tu zauważyć, że mimo zmniejszenia ilości cewek i magnesów moc prądnicy pozostanie bez zmian, bowiem mimo, że ilość miedzi zmalała dwukrotnie (l 2), dwukrotnie wzrosła prędkość obrotowa (v razy 2). Co więcej dociekliwi mogą zauważyć, że pozostawiając w

12 mniejszej ilości cewek tą samą ilość miedzi, moc prądnicy napędzanej przez przekładnie wzrośnie dwukrotnie (l pozostaje bez zmian, v rośnie dwukrotnie). To z grubsza wszystko o konstruowaniu jednofazowej amerykanki. Rozważając pracę takiej prądnicy, zauważamy, że wszystkie cewki przekazują moc równocześnie i są takie momenty, kiedy przekazywana moc jest zerowa. Powoduje to określone konsekwencje. Moc oddawana przez cewki pochodzi od turbiny, zatem jest ona obciążana (hamowana) cyklicznie z podwójną częstotliwością indukowanego w cewkach napięcia. Szczególnie przy słabszym wietrze i niższych obrotach turbiny, taka szarpana praca może spowodować silne drgania a w przypadku rezonansu mechanicznego może doprowadzić do zniszczenia turbiny. Aby uniknąć tego zjawiska trzeba tak skonstruować prądnicę aby zachować ciągłość oddawanej mocy przy każdym położeniu magnesów względem cewek. No więc robimy trzy amerykanki, umieszczamy je na wspólnej osi tak aby w każdej, cewki były przesunięte po obwodzie o 1 3 odległości między nimi. Jeśli te trzy prądnice obciążymy jednakową mocą, turbina praktycznie nie zauważy zmian obciążenia. Amerykanka trzyfazowa Ostatnio zbudowaliśmy hybrydę, że nie powiem hydrę, która co prawda skutecznie eliminuje drgania ale konstrukcyjnie pozostawia wiele do życzenia. Można inaczej. Zamiast budować trzy oddzielne amerykanki, zbudujemy je na jednej tarczy. Wymaganie jest takie, aby oddawanie mocy przez drugą (następną) cewką rozpoczynało się przed spadkiem do zera mocy w cewce pierwszej (poprzedniej). Dla wyeliminowania drgań wystarczy aby cykl powtarzał się co trzy cewki. Spełnienie wymagań okazuje się proste, należy drugą (następną) cewkę przysunąć do pierwszej (poprzedniej) o 1 3 odległości między magnesami. Takie trzy cewki są prądnicą trzyfazową, odpowiednikiem prądnicy jednofazowej z rys. 1 Jak poprzednio, dla zwiększenia mocy, potrójne zespoły cewek należy rozmieścić na całym obwodzie tarczy. Tu uwaga: poprzednio wykazano, że pary kolejnych magnesów musza mieś odwróconą biegunowość. Aby zachować ten warunek potrójnych zespołów cewek musi być parzysta ilość, natomiast cewki drugiego kompletu faz powinny być nawinięte w kierunku przeciwnym do pierwszego kompletu (przy łączeniu, zamienione końcówki). Zasada ta została zilustrowana na powyższym rysunku, gdzie strzałkami połączono pokazane na rozwinięciu te same elementy. Następna uwaga: w prądnicy jednofazowej wypełnienie miedzią było ok. 50%. W prądnicy trzyfazowej cewki zostały przysunięte do siebie. W sumie wypełnienie miedzią wzrosło o 15% i o tyle, przy tych samych gabarytach, może wzrosnąć moc prądnicy trzyfazowej. Niestety dalej mamy ponad 1 3 objętości wypełnionej powietrzem a to czyste marnotrawstwo mocy. Można lepiej Powyższa konstrukcja trzyfazowa była modyfikacją uzwojeń jednofazowych. Lepsze parametry prądnicy uzyskamy likwidując odległości między cewkami (rys. 4a). Korzyść polega na dalszym zwiększeniu objętości miedzi w tej samej dostępnej przestrzeni. W stosunku do poprzedniego rozwiązania jest to zwiększenie mocy o 20%. Warto zauważyć, że w tym rozwiązaniu warunek odwrotnej biegunowości par biegunów zostaje zachowany po jednym zespole trójfazowym, zatem ilość takich zespołów nie musi być parzysta. Zmalała również ilość par magnesów w stosunku do

13 ilości cewek. Ostatnia z przedstawionych konstrukcji z uwagi na prostotę wykonania przy znacznej sprawności jest najczęściej stosowana w praktyce, chociaż dalej istnieją rezerwy mocy w postaci pustych przestrzeni między magnesami. Amerykanka na 100% Wypełnienie pozostałej objętości miedzią jest możliwe, jeśli zmienimy podejście do konstrukcji. Przecież zamiast tworzyć zespoły cewek, stwórzmy zespoły boków cewek. Cewki układamy na sobie, aby ich boki leżały obok siebie.na rysunku obok pokazany jest sposób układania cewek. Przy takim ułożeniu wartości chwilowe napięć indukowanych w kolejnych cewkach przesunięte są o 1 3 okresu (120 ) tworząc prawidłowy układ faz L1, L2, L3. Należy zwrócić uwagę, że cewka fazy L2 (zielona) została na rysunku odwrócona aby zapewnić tożsamość napięciową końcówek we wszystkich cewkach, w rzeczywistości przy połączeniach, wystarczy odwrócić jej końcówki. Wydawać by się mogło, że taki sposób układania cewek wymusi trzykrotne zwiększenia odległości miedzy biegunami par magnesów. Unikniemy tego zmieniając proporcje w wymiarach cewek. Otóż otwór w cewce powinien być nieco większy niż podwójna szerokość boku, wówczas dwa boki sąsiednich cewek zmieszczą się w otworze środkowej (patrz rys 5 i 6). Oczywiście, boki cewek się skrzyżują i ten fakt wymaga specjalnej ich konstrukcji. Rysunek obok przedstawia w pewnym uproszczeniu konstrukcję cewek oraz ich ułożenie. Uzwojenie takie jest już identycznej konstrukcji jak uzwojenie wzornikowe stosowane w prądnicach konwencjonalnych z żelaznym magnetowodem. Teraz tylko krok do efektu końcowego. Nasz trzyfazowy zespół cewek należy powielić na cały obwód tarczy pamiętając, że jak poprzednio, aby zawsze następowała kolejność biegunów magnesów, zespołów cewek musi być parzysta ilość (na rysunku, pierwszy i ostatni magnes to te same). Zatem cewek może być 6; 12; 18; itd. Natomiast na 6 cewek przypadają tu tylko 4 pary magnesów, zatem par magnesów może być 4; 8; 12; itd. Ta nowa konstrukcja uzwojeń pozwala zwiększyć moc prądnicy o ok. 30% bez zmiany jej gabarytów. Projektujemy Projektowanie należy rozpocząć od doboru wielkości magnesów, jako, że jest to część handlowa i mamy ograniczone możliwości wyboru. Załóżmy, że wybieramy magnes 30x10mm. Dla tej szerokości odległość między magnesami wyniesie 9mm, razem wymiar b będzie 19mm. Obliczymy średnicę tarczy (do magnesów) dla 12 par magnesów (18cewek, 6 na fazę): d=(19 12) 3,14 co daje 72,5mm. Zewnętrzna średnica tarcz z magnesami będzie 72,5+60=132,5mm Szerokość boku cewki będzie 19 3=6,3-5%=6mm. Odległość między biegunami (po osi) nie powinna być większa niż między magnesami (po obwodzie), uwzględniając jeszcze szczelinę powietrzną, przyjmiemy grubość cewki 7mm, co da powierzchnię przekroju 6x7=42mm 2. Na tej powierzchni przekroju zmieści się 40 zwojów drutu o średnicy 1mm. Ten drut przy gęstości prądu w uzwojeniu 2,5A mm 2 pozwoli pobierać prąd 2A. Dla obliczenia napięcia indukowanego w cewce niezbędna jest znajomość indukcji w szczelinie oraz prędkości obrotowej. Ja przyjmę, że indukcja wyniesie 0,3T. Prędkość obrotowa zależna będzie od turbiny, jako, że przewidywana potrzebna moc turbiny nie jest duża, zatem dla średnicy łopat ok. 1m przyjmę prędkość obrotową 400 min co da prędkość obwodową prądnicy v=(72+30) 3, czyli mm min, w jednostkach SI 2,1m sek. Dla przejrzystości obliczymy jeszcze długość drutu w polu magnetycznym dla jednej cewki; l= czyli 2400mm, 2,4m. Teraz już można obliczyć indukowane w cewce napięcie; U=0,7 0,3 2,1 2,4 da 1V. Mnożnik 0,7 na początku równania zastosowano aby wynik otrzymać w wartości skutecznej napięcia. Jako, że 6 cewek przypadających na jedną fazę można połączyć szeregowo, napięcie fazowe wyniesie 6V,

14 zaś moc oddawana przez prądnicę P=3 6 2,5 czyli 45W. Powyższe obliczenia mają charakter poglądowy i tak należy je traktować. Moc prądnicy nie wyszła zbyt imponująca, ale ponieważ założenia co do wielkości turbiny były wygórowane, można zmniejszyć jej średnicę co będzie skutkowało zwiększeniem obrotów, lub zastosować przekładnię mechaniczna podwyższającą obroty prądnicy. I to z grubsza wszystko co można napisać dla praktyków o teorii amerykanki. Można budować inaczej, bo praktycznie zawsze otrzymamy coś w rodzaju prądnicy, ale to nie będzie to samo. Niewiele napisano tu o geometrii magnesów i jej wpływie na właściwości prądnicy. Więcej szczegółó na ten temat można przeczytać na stronie poświęconej magneśnicy. Interesejącym problemem dla konstruktorów amatorskich prądnic z magnesami stałymi jest wielkość i sposób ułożenia magnesów na rdzeniu magneśnicy. Można znaleźć wiele konstrukcji przykładowych, nie spotkałem jednak wyjaśnienia dlaczego zastosowano przykładowy sposób ułożenia magnesów i jakie skutki on powoduje. Dla własnej ciekawości postanowiłem przeprowadzić proste symulacje wpływu wielkości (płaszczyzny) magnesu i kąta jego ułożenia na kształt napięcia indukowanego w uzwojeniu pojedynczego zwoju. Dla uproszczenia, w symulacjach założyłem, że pole magnetyczne nad magnesem w każdym jego położeniu jest jednorodne, brak jest pola rozproszonego, a zezwój składa się z pojedynczego zwoju (nie posiada szerokości). Przy takich założeniach symulacja indukowanego napięcia sprowadza sie do obliczenia chwilowej długości sumy rzutów obu boków zwoju na płaszczyznę magnesów, pamiętając o ich wektorowych właściwościach. Wyniki symulacji wydały się na tyle interesujące, że postanowiłem udostępnić je zainteresowanym budową amatorskich elektrowni. Rysunek obok, przedstawia schemat użyty do symulacji. Literami a i b oznaczono boki zwoju, N i S to para biegunów obejmująca kąt fazowy 360. Wyróżniony został biegun N, natomiast biegun S reprezentowany jest przez obie krawędzie. Geometria bieguna magnesu, dla zapewnienia uniwersalności danych, podawana jest w wartościach kąta fazowego. Przeliczenie tych wartości na wymiary liniowe jest proste: 180 kąta fazowego to podziałka biegunowa τ, ta zaś jest wymiarem liniowym obliczanym ze wzoru: τ = π D 2p gdzie: D średnica magneśnicy 2p ilość par biegunów Litery L i s są parametrami konfiguracji magnesu. I tak: L określa wymiar magnesu w przekroju promieniowym magneśnicy, zaś s to pochylenie magnesu. Oba parametry są w wartościach kąta fazowego, przeliczenie na wymiary liniowe jest podobne do podanego poprzednio z uwzględniem długości magneśnicy h (rys.1) dla obliczeń kąta pochylenia magnesu. Rysunki poniżej to pięć konfiguracji dla wymiarów obwodowych magnesów od 70 do 160 kąta fazowego, przy stałym pochyleniu 60 tego kąta.

15 Wykresy są wynikiem symulacji dla powyższych konfiguracji. Aby ułatwić interpretację, kolory magnesów z rysunków są idenyczne z kolorami odpowiadających im wykresów. Dodatkowo, kolorem zielonym narysowana jest funkcja sinus, będąca wykresem odniesienia. Położenia skal kąta fazowego na rysunkach i wykresach nie są kompatybilne. Symulację powtórzono po zmianie pochylenia magnesów z 60 do 90 kąta fazowego, z zachowaniem identycznych wymiarów obwodowych. W zasadzie interpretację wyników symulacji może przeprowadzić każdy zainteresowany tematem, chciałbym jednak zwrócić uwagę na kilka szczegółów. Decydującym o kształcie i wartości średniej napięcia parametrem jest długość obwodowa magnesu (parametr L) przy czym dążenie do maksymalnej szerokości (rys. 6) skutkuje nie tylko wzrostem skutecznej wartości napięcia a również silnym odkształceniem od sinusoidy (por. rys. 6 i odpowiadający mu kształt napięcia), co może spowodować zakłócenia w pracy odbiorników o charakterze indukcyjnym a w krańcowych przypadkach zakłóceniami elektromagnetycznymi otaczającej przestrzeni ze

16 względu na zawartość w napięciu wyższych harmonicznych o dużej amplitudzie. Ponadto, zbliżenie wartości L do 180 spowoduje znaczny wzrost strumienia rozproszenia co zniweczy oczekiwane zyski. Warto prześledzić wpływ pochylenia magnesów. Zwiększenie pochylenia z s60 do s90 powoduje wyraźny spadek zawartości wyższych harmonicznych (rys. 6 i 12). Dobierając odpowiednie pochylenie i długość obwodową magnesu można uzyskać krzywą napięcia bardzo podobną do sinusoidy (rys. 10 i odpowiadający mu wykres). Nie należy również zapominać, że zwiększenie pochylenia zmniejsza tzw. zaskok. Reasumując wydaje się, że najkorzystniejszą konfiguracją (również cenowo) jest L zawarte między 120 a 140 i s ok. 90. Co prawda symulacje dotyczyły konwencjonalnych prądnic synchronicznych z magnesami stałymi, jednak ich wyniki dają się interpolować do prądnic typu "AMERYKANKA" dopisek Na forum "elektroda" słusznie zauważono, że symulacja powinna uwzględniać również charakterystyki napięć międzyprzewodowych dla prądnic trzyfazowych. Poniższe wykresy to właśnie takie symulacje z porównaniem do symulacji jednofazowych. Potwierdza się poprzedni mój wniosek, że z technicznego i ekonomicznego punktu widzenia najlepszą konfiguracją powinno być L między 120 a 140 i s ok.90. Przy takiej konfiguracji zawartość harmonicznych wygląda najmniejsza, również najmniejszy wydaje się stosunek napięcia do ceny magnesów.

17 Na terenie największego jeziora w Europie wybudowana może zostać wkrótce ogromna tama. Wiadomość nie zaliczałaby się może do kategorii wybitnie interesujących gdyby nie fakt, że ogromny żagiel zawiśnie ponad wodami jeziora Ładoga - tworząc pierwszą na świecie tamę wiatrową. Jezioro o powierzchni ponad 18 tysięcy km kw. położone jest na północny wschód od Petersburga. Cofający się lodowiec pozostawił w jego obrębie ponad 600 wysp i wysepek. Zróżnicowany krajobraz okolicy wykorzystany ma zostać przy budowie niecodziennej elektrowni. Projektanci z angielskiego biura architektonicznego Chetwood Associates wpadli na pomysł rozciągnięcia ogromnego żagla w miejscu, gdzie łączą się wody jeziora Ładoga oraz jednej z wpadających do niego rzek. Pomysł całkiem interesujący, szczególnie jeśli wziąć pod uwagę fakt, że żaglopodobna konstrukcja ma rzeczywiście duże szanse zogniskować moc wiatru w znajdującej się w centralnym punkcie turbinie. Jeśli wierzyć słowom projektantów, oparli się oni w swojej pracy na bogatych doświadczeniach ludzkości związanych z żeglarstwem, a wygląd elektrowni to tylko nieco zmodyfikowany pomysł wykorzystywany już przez Fenicjan, Trojan, ich braci, stryjów, siostry oraz przeciwników. Jak to jednak zwykle bywa w przypadku projektów mocno nietypowych, zaraz potem dowiedzieć możemy się o bogatych inspiracjach autorów. Tym razem oprócz żeglarstwa napotykamy również aspekty zoologiczne. Główny architekt Laurie Chetwood stwierdza, że ''żagiel wygląda jak ptak, maczający swój dzióbek w wodzie''. Dodaje również, że taka forma niemal absolutnie nie zakłóci nieskazitelnej urody otaczającego krajobrazu. Dla wielbicieli liczb dodam tylko, że konstrukcja będzie miała 25 metrów wysokości, natomiast liny podtrzymujące żagiel rozpięte będą na szerokość 75 metrów. Koszt inwestycji planowany jest na 2,5 mln funtów. Działania samych twórców nabierają natomiast coraz większego rozpędu. Oczekują oni bowiem na pozwolenie dotyczące projektu podobnej elektrowni, która również zlokalizowana ma być w rejonie jeziora Ładoga

18 Nowe źródła energii Zmiany klimatyczne to jedno z najpoważniejszych zagrożeń przed jakimi stoi nasz świat, a odnawialne źródła energii, włączając w to wiatr mogą być kluczem do rozwiązania tego problemu. Turbiny wiatrowe są najbardziej zaawansowanym i najefektywniejszym źródłem "czystej" energii. Większość współczesnych turbin może działać nawet przez 85% roku, a ich trwałość określa się nawet na 20 lat. Do tej pory w tej dziedzinie prym wiodło budownictwo Bliskiego Wschodu, jednak nowy trend zaczyna przenosić się także do Europy. Pionierami na starym kontynencie będą prawdopodobnie Brytyjczycy. Pierwszy w Wielkiej Brytanii Wielka Brytania ze swoją długą linią brzegową i położeniem geograficznym może z tego potencjału korzystać bardzo skutecznie. Pozyskiwanie energii wiatrowej na wyspach stanowi 40% całkowitej produkcji tej energii w Europie. W Szkocji i w Anglii średnia prędkość wiatru waha się od 6 metrów na sekundę na nizinach do 11,5 metra na sekundę w górach. Gdyby udało się tą energię wykorzystać stanowiłaby ona bardzo istotny procent zużycia prądu w Wielkiej Brytanii, co wpłynęłoby na ograniczenie emisji CO2, i ułatwiło walkę ze mianami klimatycznymi. Co więcej pozwoliłoby na uniezależnienie się od coraz droższych i miej pewnych paliw kopalnych, takich jak ropa, czy węgiel. Z tych właśnie przyczyn narodził się pomysł zaprojektowania Castle House autorstwa Hamiltons Architects. Stanowisko Rady Europejskiej Rada Europejska wprowadziła nowe standardy w budownictwie, które mają sprzyjać wykorzystaniu alternatywnych źródeł energii - docelowo 20% użytej energii elektrycznej ma pochodzić właśnie z odnawialnych źródeł do 2020 roku. W Wielkiej Brytanii ta liczba wynosi obecnie 4%, rządowe środki mające promować odnawialne źródła energii to: wprowadzone w 2002 roku regulacje prawne, które zmuszają dostawców do produkowania większej ilości czystej energii, ulgi podatkowe oraz dofinansowania "zielonych" projektów. Pozostanie tylko pytanie, kiedy w Polsce powstanie pierwszy budynek zasilany energią wiatru... Przydomowe elektrownie wiatrowe mogą służyć jako dodatkowe źródło energii, które w pewnym stopniu uniezależnia od sieci lokalnego dystrybutora energii elektrycznej. Najlepiej sprawdzają się jako zasilanie domów "niskoenergetycznych" - bardzo dobrze ocieplonych, które potrzebują małej ilości prądu. Elektrownie wiatrowe stają się coraz bardziej popularne, a zainteresowanie nimi może w przyszłości jeszcze wzrosnąć, bo do prawa polskiego wprowadzana jest obecnie Dyrektywa Unii Europejskiej nr 2002/91/WE, według której w budynkach nowych oraz starych - gruntownie remontowanych - projektant będzie musiał uwzględnić w

19 dokumentacji budynku zastosowanie energii pochodzącej z odnawialnych źródeł energii (OZE). Ponieważ elektrownie wiatrowe mogą działać praktycznie wszędzie, świetnie nadają się do spełnienia tego warunku. Przydomowa elektrownia wiatrowa może dostarczać prąd na potrzeby odbiornika autonomicznego (wydzielonego), czyli działającego niezależnie od sieci elektroenergetycznej. Może nim być albo: wydzielony obwód w domu, zwykle niskonapięciowy (np. obwód oświetleniowy czy obwód ogrzewania podłogowego wspomagającego ogrzewanie domu), działający niezależnie od pozostałej instalacji elektrycznej w domu - zasilanej z konwencjonalnej sieci elektroenergetycznej, albo cała instalacja domowa, odłączana od sieci energetycznej na czas korzystania z energii wytworzonej przez przydomową elektrownię, albo w ogóle niepodłączona do sieci elektroenergetycznej. Większe elektrownie wiatrowe (zwane też siłowniami) przeznaczone są przede wszystkim do wytwarzania energii, która następnie przekazywana jest do sieci elektroenergetycznej. Są one jednak znacznie droższe od małych - przydomowych. Wybór wielkości i typu elektrowni wiatrowej oraz określonego rozwiązania zależy od tego, czemu elektrownia ma służyć; powinien też być poprzedzony badaniami zasobów wietrzności i opłacalności inwestycji. Najlepiej w tym celu skorzystać z pomocy i opinii fachowców - na przykład z Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej ( lub też Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej EC IBMER ( Jak działa elektrownia? Elektrownie wiatrowe mogą wytwarzać energię elektryczną tylko wtedy, gdy wieje wiatr - i to w dodatku z prędkością większą od prędkości tzw. startowej, poniżej której turbina po prostu stoi. Przydomowe elektrownie wiatrowe są całkowicie niezależnymi źródłami energii, w których instaluje się jeden z dwóch rodzajów prądnic: 1) prądu stałego, 2) małe, trójfazowe - asynchroniczne. Elektrownie z prądnicą prądu stałego (najczęściej stosowane) mogą zasilać obiekty, jeżeli są wyposażone w regulator napięcia oraz akumulatory do gromadzenia energii, a jeśli mają dostarczać prąd przemienny (taki jak w sieci) - muszą mieć falownik. Jeśli elektrownie te mają zasilać dom mieszkalny, to wspomniane urządzenia składowe umieszcza się zwykle w pomieszczeniach gospodarczych, garażach itp. Rodzaje elektrowni Moc. Ze względu na moc elektrownie wiatrowe dzieli się na modele "mikro", "małe" i "duże". Do zasilania domów stosuje się głównie dwa pierwsze rodzaje. Mikroelektrownie wiatrowe to modele poniżej 100 Watów (W) mocy. Używa się ich najczęściej do ładowania baterii akumulatorów stanowiących zasilanie obwodów wydzielonych - tam, gdzie nie ma sieci elektroenergetycznej, lub z jakiegoś powodu nie chce się z niej korzystać. Takie elektrownie można wykorzystać do zasilania przez akumulatory części oświetlenia domu: pojedynczych lamp, a nawet poszczególnych pomieszczeń czy urządzeń.

20 Małe elektrownie wiatrowe to nieco większe modele o mocy od 100 W do 50 kw. Modele z tej grupy mogą zapewniać energię elektryczną w pojedynczych gospodarstwach domowych, a nawet w małych firmach. W warunkach przydomowych najpopularniejsze są elektrownie 3-5 kw. Moc takich elektrowni, wspomagana energią zmagazynowaną w akumulatorach, wystarczy nierzadko do zasilania oświetlenia, układów pompowych, sprzętu i urządzeń domowych. Duże elektrownie wiatrowe (w praktyce powyżej 100 kw), oprócz tego, że mogą zasilać dom, stosowane są przede wszystkim do wytwarzania prądu, który sprzedaje się sieci elektroenergetycznej. Taka elektrownia musi spełniać szczegółowe wymagania lokalnego operatora sieci, potrzebna jest też oczywiście jego zgoda na takie przyłączenie. Wielkość. Ilość energii elektrycznej produkowanej w elektrowni wiatrowej zależy głównie od prędkości wiatru. Ta z kolei zależy od wielu czynników - zarówno klimatycznych, jak i związanych na przykład z wysokością usytuowania wiatraka (im jest on wyżej, tym większa produkcja energii). Współczesne "duże" elektrownie wiatrowe osadza się na wieżach 70-, 80-, a nawet 100- czy 120-metrowych. Małe najczęściej mają za podstawę maszty od 1,5 m (na dachach) do m nad poziomem gruntu. Podział ze względu na inne kryteria. Podstawowym kryterium podziału elektrowni wiatrowych jest położenie osi obrotu wirnika, zgodnie z którym rozróżniamy dwa rodzaje elektrowni: z poziomą osią obrotu - HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines); najpopularniejsze - ponad 95% stosowanych rozwiązań; z pionową osią obrotu - VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines). Ze względu na kolejne kryteria: sposób wykorzystania produkowanej energii - wyróżnia się na przykład siłownie energetyczne i siłownie pompowe; liczbę płatów wirnika - elektrownie jedno-, dwu-, trzy-, cztero- i wielopłatowe; usytuowanie wirnika względem kierunku wiatru i masztu (w elektrowniach typu HAWT): dowietrzne (ang. up-wind) oraz odwietrzne (ang. down-wind); szybkobieżność - elektrownie wolnobieżne, średniobieżne i szybkobieżne. Wśród najpopularniejszych maszyn - typu HAWT - ponad 90% obecnie stosowanych to trójpłatowe urządzenia typu up-wind służące głównie do wytwarzania energii elektrycznej. Gdzie postawić wiatrak? Najlepszą odpowiedzią jest sentencja: "słuchaj ludzi - kieruj się rozumem". Dostępne atlasy i mapy wietrzności należy traktować jedynie jako materiały pomocnicze. W budowie małych elektrowni wiatrowych bardziej istotna od atlasów wiatru jest obserwacja i doświadczenie. Lokalne uwarunkowania oreografii (ukształtowania) terenu mogą sprawić, że nawet w regionie uważanym za bezwietrzny elektrownia wiatrowa może być opłacalna.