Dr inż. Elżbieta Niewiedział Ostatnio coraz częściej słyszy się o wiatrakach z pionowymi turbinami, owszem wyglądają one estetyczniej i są łatwiejsze w montażu, ale czy na prawdę spełniają swoją funkcje w porównaniu z swoimi "pierwowzorami", czy faktycznie łatwiej jest uzyskać na nie pozwolenie, gdyż można je zamontować nawet na dachu budynku? A co z ich sprawnością i skutecznością patrząc na różę wiatrów? Czy mogą się sprawdzić na większą skalę? Postawione pytanie zawiera kilka zagadnień. Poniżej sformułowano odpowiedzi dotyczące każdego z nich. Przyszłość małych elektrowni wiatrowych Przyjęta Strategia Rozwoju Energetyki Wiatrowej w Polsce do 2020 roku zakłada, że małe elektrownie wiatrowe (MEW) o niewielkich mocach rzędu 1-10 kw w miastach (zazwyczaj z wirnikami o osi pionowej) i do 100 kw na obszarach wiejskich, wykorzystywane będą przez indywidualnych konsumentów energii. W związku z powyższym przewiduje się wzrost zapotrzebowania na małe elektrownie wiatrowe, o mocy poniżej 100 kw, które lokalizowane będą zarówno na terenach wiejskich (10-100 kw), jak i w miastach (urządzenia o mocach 1-10 kw). Prognozy mocy wytwórczych w Polsce szacują, że moc uzyskana w małych elektrowniach wiatrowych w latach 2011-2020 nie będzie duża - skala inwestycji realizowanych w latach 2012-2020 nie przekroczy 5-50 MW w ciągu roku. Podobne przewidywania zawarto w Krajowym Planie Działań (KPD) w zakresie energii ze źródeł odnawialnych, który przyjęto do realizacji przez Radę Ministrów 7 grudnia 2010 roku. W w/w dokumencie uwzględniono po raz pierwszy energię generowaną w małych elektrowniach wiatrowych jako odrębną kategorię źródeł odnawialnych. Założono, moc na poziomie 550MW do 2020r., co stanowi odpowiednik budowy ponad 100 tys. pojedynczych instalacji. Rozwojowi małych elektrowni wiatrowych w najbliższych latach sprzyjać będą konkursy na dotacje na pakiety takich inwestycji w poszczególnych gminach, ogłaszane już teraz (na tzw. pakiety małych projektów grupowych do realizacji przez gminy w sektorze OZE) w ramach RPO i Programu Rozwoju Obszarów Wiejskich (PROW). Rozbudowa i upowszechnienie MAŁYCH ELEKTROWNI WIATROWYCH spowoduje rozproszenie systemu energetycznego. Będzie to oznaczało, że energia elektryczna będzie wytwarzana tam, gdzie jest zużywana. Ograniczy to konieczność rozbudowy sieci przesyłowych. Szczególnie atrakcyjne wydaje się zastosowanie małych elektrowni wiatrowych zintegrowanych z budynkami bądź innymi elementami infrastruktury miejskiej. Należy jednak podkreślić, że elektrownie wiatrowe, a szczególnie z turbinami o osiach pionowych zaliczanymi do mikro źródeł, nie będą stanowiły jedynego dostawcy energii elektrycznej.
Wiatraki z turbinami o osiach pionowych Wiatraki, a właściwe siłownie lub elektrownie z turbinami o osiach pionowych, można podzielić według zastosowanej turbiny wiatrowej na: turbiny Savonius najprostsze technologiczne rozwiązanie, turbiny Darrieus a, turbiny H-Rotor, turbiny świderkowe oraz mieszanina powyższych typów. Przykładowe turbiny o osiach pionowych przedstawiono na rys.1 Elektrownia wiatrowa typu VAWT Turbina wiatrowa świderkowa Turbina wiatrowa typu żaglowego Turbina wiatrowa typu H-Darrieus Siłownie z wiatrakami o osiach pionowych charakteryzują się wieloma zaletami, ale również nie pozbawione są wad. Do głównych zalet turbin o osiach pionowych można zaliczyć: Efektywne wykorzystanie energii wiatru; przedział prędkości wiatru 1,5 40 m/s. Możliwości uzyskania:
większej mocy o około 40% od klasycznego wiatraku z osią poziomą i o tej samej powierzchni zatoczenia łopat przy niskich prędkościach wiatru rzędu 1,5 4,0 m/s (średnia prędkość wiatru w Polsce 3,7 m/s w miesiącach letnich i 4,9 m/s w miesiącach zimowych); większego wykorzystania wszystkich powiewów wiatru (nawet przy niższych prędkościach, które często występują na mniejszych wysokościach a te wykorzystywane są przede wszystkim w elektrowniach przydomowych). Jednakowa praca niezależna od kierunku wiatru, w konsekwencji brak konieczności naprowadzania na wiatr; powoduje to uproszczenie konstrukcji mechanicznej i układów sterowania, a w konsekwencji wymaga mniejszego kosztu produkcji. Możliwość łatwego montażu na obiektach; brak konieczności wynoszenia siłowni o bardzo dużej wadze, co wpływa bezpośrednio na obniżenie nakładu inwestycyjnego, a pośrednio na koszty wytworzenia energii; możliwość montażu na dachach budynków, słupach, istniejących masztach, itp. Stosunkowo cicha praca, nawet przy większych prędkościach wiatru. Bezobsługowa praca zespołu prądotwórczego. Estetyczny wygląd. Do głównych wad można zaliczyć: Wytworzenie energii równoważnej energii wytworzonej w tradycyjnych turbinach wymaga znacznie większych gabarytów Z uwagi na niewielką prędkość obrotową w wielu przypadkach niezbędny jest generator wolnobieżny lub przekładnia, które zmniejszają sprawność i zwiększają emisję hałasu. Zastosowanie wiatraków z turbinami o osiach pionowych Różnorakie zastosowanie, w dużej mierze, zależne jest od mocy turbiny wiatrowej z osią pionową. Można do nich zaliczyć: podświetlanie tablic informacyjnych i reklamowych nocą; możliwość osiągania lepszych parametrów pracy przy występowaniu dużych prędkości wiatru w porównaniu z warunkami normalnymi, a to może dawać określone korzyści w następujących przypadkach: tereny górskie i nadmorskie charakteryzują się ekstremalnymi prędkościami wiatru i stąd korzystne jest stosowanie tych turbin do zasilania odbiorników w górskich chatach bądź nadmorskich pensjonatach, dachy budynków, wieżowców symulacje komputerowe pokazują na zwiększenie o ok. 30% prędkości wiatru kilka metrów nad dachem w porównaniu do przepływu bez obecności budynku; daje to ponad dwukrotny wzrost mocy uzyskanej dzięki usadowieniu turbiny w takim miejscu; zasilanie odbiorników lub grupy odbiorników o małej mocy, takich jak: balkony i tarasy,
domy jednorodzinne, ogrody, altanki, morskie znaki nawigacyjne, rolnictwo - zasilanie elektryczne maszyn i urządzeń gospodarczych, zasilanie pomp melioracyjnych, hodowla ryb, zasilanie urządzeń do napowietrzania i rekultywacji zbiorników wodnych oraz podgrzewanie wody, oświetlenie przyczep kempingowych, pól namiotowych, baraków i kontenerów budowlanych itp., zasilanie - systemów podlewania, nawadniania kropelkowego, pomieszczeń gospodarczych w agroturystyce, napowietrzania stawów hodowlanych, zasilanie - jachtów, łodzi, statków, itp. Wcześniejsze stwierdzenie, że wiatraki o osiach pionowych będą stosowane do zasilania odbiorników o małych mocach, mają odzwierciedlenie w powyższych zastosowaniach. Od pewnego czasu część producentów rozwija i stara się forsować zastosowanie elektrowni o pionowej osi obrotu. Niestety do tej pory nikomu nie udało się skonstruować turbiny o pionowej osi obrotu, która przy podobnych gabarytach i wadze produktu była by w stanie konkurować z rozwiązaniami klasycznymi, z poziomą osią obrotu. Stąd dystrybutorzy turbin wiatrowych nie obserwują, w chwili obecnej, dużego zainteresowania wiatrakami o osiach pionowych. Tym niemniej wciąż trwają prace zmierzające do poprawienia efektywności turbin pionowych. Pozwolenia na budowę: Omawiane wiatraki z turbiną o osi pionowej są, z reguły, urządzeniami małych mocy i traktowane są jako elektrownie przydomowe. Na tego rodzaju urządzenia w zasadzie nie potrzeba zgody. Należy jednak zwrócić uwagę na: właściwe wykonanie inwestycji, czyli wykonanie winno być poprzedzone projektem; wytyczne prawa budowlanego, według których elektrownia na maszcie o wysokości powyżej 3 metrów jest obiektem budowlanym i należy uzyskać pozwolenie na budowę takiej instalacji; uciążliwość wiatraka np. dla sąsiadów, która objawiać się może np. generowanym hałasem i wskazanym byłoby pozyskać zgodę sąsiadów. Według [5] elektrownia wiatrowa jest zawsze montowana na jakiejś konstrukcji nośnej. Na postawienie budowli na stałe związanej z gruntem jest potrzebne zgłoszenie budowy do urzędu gminy. Dla konstrukcji nie związanych na stałe z gruntem (np. wieże z odciągami linowymi) nie potrzebne jest żadne pozwolenie w okresie do 3-ch miesięcy. Przyjmuje się, że konstrukcje nietrwałe nie są obiektami budowlanymi. Dlatego stawiając elektrownię wiatrową bez żadnych pozwoleń najlepiej to zrobić właśnie na takiej konstrukcji. Inną możliwością jest postawienie elektrowni w obrębie budynku. Budynek ma wszelkie pozwolenia, a wszystko co znajduje się w obrębie 3 m od niego też do niego należy. W tym wypadku elektrownia wiatrowa wystaje poza budynek tak jak flaga, lampa, antena itp. Nie potrzeba wcale tego zgłaszać. W
ostateczności można też się powołać na prawo budowlane, które mówi że Pozwolenia na budowę nie wymaga budowa (art. 29 ust. 1 i 2 ustawy Prawo budowlane): przyłączy elektroenergetycznych, utwardzenia powierzchni gruntu na działkach budowlanych, instalowanie tablic i urządzeń reklamowych, tymczasowych obiektów budowlanych, niepołączonych trwale z gruntem, obiektów przeznaczonych do czasowego użytkowania w trakcie realizacji robót budowlanych, urządzeń pomiarowych itp. Koncesja na produkcję energii: Wymagana jest tylko wówczas, gdy właściciel elektrowni chce sprzedawać energię innym odbiorcom. Z uwagi na małe możliwości produkcyjne elektrowni przydomowych nie przewiduje się z reguły odsprzedaży energii. Sprawność elektrowni wiatrowej z turbiną o osi pionowej Zdania ekspertów są bardzo różne i nie ma jednoznaczności w ocenie sprawności elektrowni. Ogólnie uznaje się, że jest ona niewysoka nie przekracza 40%. Poniżej przedstawiono przykładowe zestawienie, w którym podano m.in. sprawności elektrowni wiatrowej z osią pionową typu VAWT i poziomą [3]. Turbina o pionowej osi obrotu typu VAWT (vertical axis wind turbine) zaliczana jest do bardzo perspektywicznych produktów na polskim rynku w obszarze OZE. Bibliografia: 1. Artur Polak, Marcin Baranski BOBRME Komel, Katowice: PORÓWNANIE TURBIN WIATROWYCH. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 74/2006. 2. Józef Paska, Mariusz Sałek, Tomasz Surma: Wywarzanie energii elektrycznej z wykorzystaniem odnawialnych zasobów energii. Energetyka marzec 2005 3. Edmund Dulcet, Sylwester Borowski, Adam Mroziński, Piotr Kolbe: Badania technologiczne rozwiązań stosowanych w energetyce wiatrowej. Bydgoszcz 2011 4. http://www.uwm.edu.pl/kolektory/silownie/pionowe.html: Siłownie wiatrowe o pionowej osi obrotu. 5. http://generatory-wiatrowe.pl/