Jakub Bernatt, Stanisław Gawron, Emil Król BOBRME Komel, Katowice DOWIADCZENIA Z BUDOWY I EKSPLOATACJI MAŁYCH PRZYDOMOWYCH ELEKTROWNI WIATROWYCH SMALL WINDMILLS CONSTRUCTION AND EXPLOITATION EXPERIENCE Abstract: The sense of construction of small windmills is shown. Still increasing interest in cheap sources of energy, observed in Poland, has prompted staff of Research And Development Centre Of Electric Machines Komel to build, put in motion and test on own terrain the small and cheap windmill. This project has brought a lot of useful information concerning both the process of building of small windmills and the performance of such power station. The assumption was made that the windmill should be really cheap and easy to build. In given example the modernization of the 12 blade propeller windmill with belt gear is shown. After this modernization, the windmill is a three blade windmill without any gear. Such a windmill is better matched to the wind conditions observed in south Poland. In the construction of described windmill the low speed permanent magnet synchronous generator of our design is used. The energy produced by the windmill is used as a additional heat sources in buildings, so there is no need for regulation of the output voltage from generator (regarding both, rms value and the frequency).thanks to that, the windmill is relatively cheap. Wstp Energia cieplna, zuywana corocznie do ogrzewania wody uytkowej lub pomieszcze mieszkalnych (gospodarczych) pochodzi zazwyczaj z wgla, ropy lub gazu. Jak wiadomo, efektem spalania tych noników energii jest emisja wielu zanieczyszcze do atmosfery. Jednake obecnie, zarówno ze wzgldów ekologicznych jak i ekonomicznych coraz popularniejsze staj si odnawialne ródła energii. Jedn z realnych i niedrogich metod uzupełniania zasobów energetycznych s elektrownie wiatrowe. Ju pod koniec lat trzydziestych XX wieku, spraw elektrowni wiatrowych poruszano w Polsce na łamach czasopisma branowego Wiadomoci Elektrotechniczne (rys.1). Jednak z rónych powodów prace w tym kierunku posuwały si bardzo powoli i z miernymi rezultatami. Od kilku lat w Europie, w tym równie w Polsce, obserwuje si coraz intensywniejszy rozwój tej włanie metody pozyskiwania energii. Powstaj zarówno małe przydomowe siłownie wiatrowe, jak i due farmy z elektrowniami wiatrowymi, popularnie zwanymi wiatrakami. Produkowana energia elektryczna z wiatru moe by odsprzedawana do sieci energetycznej jak równie zuywana na własne potrzeby w gospodarstwie, np. w celu dogrzewania pomieszcze, ogrzewania wody uytkowej, itp. Mona j równie magazynowa, np. ładowa akumulatory. O ile pierwszy z w/w sposobów jest uwarunkowany wieloma przepisami i obostrzeniami, co jest znaczcym utrudnieniem, o tyle pozostałe sposoby wykorzystania tej energii s proste i łatwe w realizacji. Rys.1. Pierwsze polskie próby wykorzystania wiatru do produkcji energii elektrycznej W publikacji [2] wykazano sens budowy małych przydomowych elektrowni wiatrowych, na przykładzie prostej konstrukcji wiatraka metod gospodarcz z wykorzystaniem profesjonalnej prdnicy synchronicznej z magnesami trwałymi, jako ródła energii elektrycznej. Nawizujc do tej publikacji, niej przedstawiono
proces budowy wiatraka zrealizowany w Komelu w Katowicach. Narodziny koncepcji Na pocztku 2003 roku, Branowy Orodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych KOMEL w Katowicach zaczł rozwija produkcj wysokosprawnych prdnic synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi. Pomysł opracowania tego typu maszyny, okazał si bardzo trafny, poniewa na rynku, brakowało takich urzdze. Komel chcc pokaza szerok gam zastosowa tych maszyn, w drugiej połowie 2003 roku, wybudował mał elektrowni wiatrow na własnym podwórku, wykorzystujc w tym celu prdnic synchroniczn z magnesami trwałymi własnej produkcji. Pierwszy wiatrak W pierwszej fazie budowy wiatraka naleało ustali miejsce jego posadowienia. Idealnym punktem posadowienia wiatraka, okazał si szyb windy na budynku Laboratorium Orodka. Powstała wiec w tym miejscu metalowa kratownica zakotwiczona w cianach szybu, do której przymocowano maszt wiatraka. Taki sposób mocowania nie wymagał uzyskania pozwolenia na budow, gdy nie jest on trwale zwizany z gruntem. Po kilku miesicach pracy wiatraka oraz praktycznej oceny jego pracy okazało si, e cało nie spełnia oczekiwa. Główni winowajcy - to: zastosowany układ przełoenia, który był bardzo zawodny oraz le wyprofilowane migła. Przekładania o przełoeniu 1:9 wykonana była jako pasowa z paskami klinowymi, które po jakim czasie zaczły si lizga. Zastosowanie profesjonalnej przekładni zbatej, byłoby tu na pewno doskonalszym rozwizaniem, jednak koszty takiej przekładni s rzdu kilku tysicy złotych, zatem s wysze od ceny prdnicy (!). Dodatkowo warto nadmieni, e równie sprawno całego układu była niska. Tak na marginesie, nawet najlepsze przekładnie zbate wykonane w najwyszej klasie dokładnoci, maj sprawno niewiele wiksz ni 90%. Tak wic, awaria przekładni wymusiła demonta wiatraka. Gdy wiatrak był ju na ziemi, postanowiono poszuka innego, mniej zawodnego rozwizania. Oprócz tego, zrodził si pomysł przeprojektowania całego wiatraka. Rys.2. Podstawa zamocowania masztu wiatraka Na stalowej rurze o wysokoci 4 m umieszczono gondol z prdnic, sprzgnit za pomoc 2-stopniowej przekładni pasowej z kołem wiatrowym (migłem) o rednicy 4,4 m. Cały wiatrak umieszczony jest na wysokoci 15 m liczc od osi koła wiatrowego do ziemi. Wybór dwunastołopatowego koła wiatrowego nie był przypadkowy, poniewa wiksza ilo łopat sprawia, e silnik wiatrowy startuje przy niskich prdkociach wiatru (od 1,5 m/s), co jest istotne w tych rejonach, gdzie rednia prdko wiatru nie jest wysoka. Rys.3. Wiatrak 3 kw wybudowany na dachu Orodka Komel (w Sosnowcu) z wykorzystaniem prdnicy synchronicznej z magnesami trwałymi PMGg160L-16 Modernizacja wiatraka Korzystajc z wczeniejszych dowiadcze oraz programu komputerowego Wiatrak dobrano moc prdnicy do załoonej rednicy koła wiatrowego (5,8 m). Jako generator, zastosowano równie profesjonaln bezszczotkow
prdnic z magnesami trwałymi, ale o wikszej mocy. Zastosowanie tej wielkoci prdnicy było moliwe dziki jej bardzo wysokiej sprawnoci oraz niezawodnoci ruchowej. Pozwala ona uzyska znacznie wicej energii elektrycznej, ni przy zastosowaniu prdnicy innego rodzaju (asynchronicznej, prdu stałego itp.). Ponadto, z uwagi na zmienn prdko obrotow wiatraka, zastosowanie tego typu prdnicy jest najbardziej uzasadnione, poniewa generuje ona moc ju przy niewielkiej prdkoci obrotowej. Wykorzystujc dotychczasow konstrukcj wiatraka, został on zmodernizowany poprzez zmian iloci migieł (zastosowano 3 migła) oraz zrezygnowano z przekładni. Koncepcja trójłopatowego koła wiatrowego, znacznie podniosła jego sprawno, ale spowodowała obni- enie momentu rozruchowego (silnik wiatrowy startuje przy wyszych prdkociach wiatru, około 2 2,5 m/s). Łopaty (migła) zostały wykonane z blachy aluminiowej. Na rurze nonej kadego ze migieł umieszczono specjalne ebra wsporcze, które zapewniaj uzyskanie właciwego kształtu migła (wraz z ktami natarcia) bez koniecznoci wykonywania kosztownych form kształtujcych blach migła (rys.5). Kty natarcia i zaklinowania łopat wyznaczono za pomoc programu komputerowego Wiatrak 1.1. Zastosowanie migieł z włókien wglowych lub laminatu szkło-epoksydowego przyczyniłoby si z pewnoci do poprawy aerodynamiki silnika wiatrowego oraz estetyki wykonania, jednak ze wzgldów ekonomicznych z tego typu rozwizania zrezygnowano. Rys.4. Prdnica PMSg180L16, 7.5 kw, 375 obr/min, produkcji Komelu, podczas bada w laboratorium Rys.5. Uebrowane migło wiatraka po nałoeniem blachy Na rysunku 6 przedstawiono fotografi wiatraka po modernizacji; w naturze mona go oglda na dachu naszego laboratorium, które znajduje si w Sosnowcu przy ul. Moniuszki 29. Rys.6. Wiatrak o mocy 6 kw wybudowany na dachu Orodka Komel (w Sosnowcu) Ustawienie wiatraka prostopadle do kierunku wiatru, realizowane jest za pomoc steru głównego. Zastosowano równie (podobnie jak w poprzednim wiatraku) mechaniczne zabezpieczenie przeciwburzowe powodujce ustawianie si koła wiatrowego bokiem do kierunku wiatru
w przypadku bardzo silnego wiatru (rys.7). Zabezpieczenie to wykorzystuje dodatkowy boczny ster oraz system linek. Wyłczenie (składanie si) nastpuje, gdy prdko wiatru przekracza około 12 m/s, regulowane jest za pomoc masy ciarka (jak na rys. 7). Znamionowa prdko obrotowa koła wiatrowego wynosi 150 obr/min. Wiatrak umieszczono na dotychczasowym maszcie na wysokoci 15 m. Energia elektryczna uzyskiwana z wiatraka jest wykorzystywana do ogrzewania wody w instalacji centralnego ogrzewania. Zrealizowano to za pomoc trzech bojlerów włczonych odpowiednio w system CO. Kady bojler posiada wbudowan grzałk elektryczn o mocy 1.5 kw. Na rys.8 przedstawiono schemat włczenia grzałek w zalenoci od prdkoci wiatru. Dla maksymalnego wyzyskania energii wiatru, zastosowano elektroniczny układ przełczania grzałek w zalenoci od jego prdkoci. Rys.7. Sposób zabezpieczenia przed zbyt silnym wiatrem Układ przedstawiony na rysunku 8 automatycznie zmienia obcienie prdnicy pozwalajc uzyska elektrowni wiatrowej maksymaln efektywno. Wraz ze wzrostem prdkoci wiatru, prdnica zostaje automatycznie obci- ona odbiornikami o wikszej mocy, co tym samym zapobiega nadmiernemu wzrostowi prdkoci obrotowej wiatraka. W przypadku zmniejszania prdkoci wiatru prdnica jest automatycznie odciana utrzymujc optymaln prdko obrotow koła wiatrowego. G ~ S1. S2. Dzielnik napicia. S1. S2. Zasil. Rys.8. Schemat połcze grzałek wraz z układem regulacji Porównujc oba powysze rozwizania (elektrownia 12 łopatowa z przekładni i 3 łopatowa bez przekładni), bez wtpienia sprawdziło si rozwizanie drugie. Co za tym idzie, moemy poleci wszystkim planujcym podobne przedsiwzicia rozwizanie wiatraka sprawdzone na własnej skórze z trójłopatowym silnikiem wiatrowym bez przekładni. Wicej szczegółów dotyczcych omawianego wiatraka, łcznie z wymiarami i sposobem rozwizania poszczególnych elementów, mona znale na stronie internetowej www.elektrownia-wiatrowa.pl. S tam równie podane przykłady innych wiatraków, ponadto znale tam mona informacje i zalenoci uyteczne przy projektowaniu i budowie elektrowni wiatrowych. Podsumowanie Elektrowni mona wykona z materiałów i elementów pochodzcych czciowo z odzysku, co pozwala na obnienie kosztów takowej inwestycji. Przy budowie elektrowni własnymi siłami, jedynym wikszym wydatkiem jest prdnica z magnesami trwałymi. Wykonana w ten sposób elektrownia nie uzyskuje wprawdzie najwyszych, optymalnych parametrów, ale jej koszt budowy jest znaczco niszy od gotowych wiatraków oferowanych na rynku. Naley w zastosowa samowzbudn,
bezszczotkow prdnic z magnesami trwałymi, gdy zapewnia ona najwysz sprawno przetwarzania energii wiatru na energi elektryczn. Ponadto, niezwykle istotnym jest wła- ciwe wyprofilowanie migieł i ustalenie odpowiednich któw natarcia. Taka elektrownia pozwala obniy koszty ponoszone na energi elektryczn uywan np. do celów grzewczych, bd zmniejszy zuycie opału. Szczególnie poleca si wykorzysta energi pochodzc z wiatraka do podgrzewania wody w bojlerze lub te w przypadku posiadania instalacji centralnego ogrzewania do jej dogrzewania. Automatycznie uzyskuje si wtedy pewien rodzaj sprzenia zwrotnego, bo gdy zim wieje wiatr to zuycie ciepła i opału jest wiksze, natomiast wykorzystujc energi z wiatraka, im mocniejszy wiatr tym wicej czystej i darmowej energii jest dostarczane do obiegu CO. Szacujemy, e przy ww. rozwizaniu, koszt budowy elektrowni zwróci si po ok. 3 4 latach eksploatacji. Literatura [1]. Glinka T.: Elektrownia wiatrowa. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne. Nr 65/2003, s. 107-112. Wyd. BOBRME Komel, Katowice [2]. Bernatt J.: Wykorzystanie prdnic synchronicznych do budowy małych elektrowni wiatrowych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne. Nr 68/2004, s. 125-128. Wyd. BOBRME Komel, Katowice [3]. Glinka T.: Autonomiczne elektrownie wiatrowe. Materiały konferencyjne II Ogólnopolskiej Konferencji ETW 2004, s. 117-122. Wyd. Centralny Orodek Szkolenia i Wydawnictw SEP, Warszawa [4]. Program komputerowy do obliczania elektrowni wiatrowych Wiatrak 1.1 (http://darmowa-energia.eko.org.pl) [5]. Strona internetowa http://www.elektrownia-wiatrowa.pl [6]. Strona internetowa: www.komel.katowice.pl [7]. Strony internetowe producentów elektrowni wiatrowych