Przydomowa turbina wiatrowa – przewodnik
Turbiny wiatrowe są zasilane energią wiatru, którą przekształcają w energię elektryczną. Energia wiatru jest pośrednią formą energii słonecznej: wiatr wieje, ponieważ słońce nierównomiernie ogrzewa różne obszary atmosfery ze względu na ruch obrotowy ziemi i różnice na powierzchni ziemi.
W artykule dowiesz się jakie są rodzaje przydomowych turbin wiatrowych, ich ceny, opłacalność.
- Jak działają turbiny wiatrowe?
- Jakie są zalety turbin wiatrowych?
- Ile energii produkuje mała turbina wiatrowa?
- Jakie są koszty zakupu i montażu turbiny wiatrowej?
- Czy turbiny wiatrowe są opłacalne?
- Jak wybrać turbinę wiatrową?
- Jakie są rodzaje turbin wiatrowych?
- Montaż wiatraka na gruncie czy na dachu?
- Co jest najważniejsze dla małej turbiny wiatrowej?
- Czy małe turbiny wiatrowe wymagają zezwolenia?
- Podsumowanie: Kiedy małe turbiny wiatrowe mają sens?
Jak działają turbiny wiatrowe?
Zasada działania turbiny wiatrowej jest dosyć prosta. Wiatr obraca przypominające śmigła łopaty turbiny wirnika, który z kolei obraca generator wytwarzający energię elektryczną.
Wiatr jest formą energii słonecznej powstającą z połączenia trzech czynników:
- Nierównomiernym ogrzewaniem atmosfery przez słońce
- Nierównościami na powierzchni ziemi
- Ruchem obrotowym ziemi.
Turbina wiatrowa zamienia energię wiatru w energię elektryczną, wykorzystując siłę aerodynamiczną śmigieł wirnika, które działają jak skrzydło samolotu lub łopata wirnika helikoptera. Gdy wiatr przepływa wokół śmigła, ciśnienie powietrza po jednej stronie śmigła spada. Różnica w ciśnieniu powietrza po obu stronach śmigła powoduje obracanie się wirnika. Zamiana siły aerodynamicznej na ruch obrotowy generatora wytwarza energię elektryczną.
Jakie są zalety turbin wiatrowych?
Turbiny wiatrowe produkują energię elektryczną głównie jesienią i zimą. Jest to główna rola turbin wiatrowych w naszym regionie: uzupełnienie fotowoltaiki w okresach o niewielkim nasłonecznieniu. Jednocześnie jest to dodatkowe źródło energii dla systemu magazynowania energii, dzięki czemu baterię można ładować również zimą.
Turbina wiatrowa dobrze współpracuje z pompą ciepła, ponieważ okres grzewczy odpowiada porze wietrznej.
Ile energii produkuje mała turbina wiatrowa?
Ilość energii elektrycznej, jaką może wyprodukować mała turbina wiatrowa zależy przede wszystkim od dwóch czynników: długoterminowej prędkości wiatru na wysokości wirnika (średnia roczna prędkość wiatru) oraz wielkości wirnika.
Ilość energii elektrycznej, jaką może wyprodukować turbina wiatrowa jest określana również przez moc znamionową turbiny. Jednak rozmiar wirnika jest ważniejszy dla wydajności niż moc turbiny. Im większy wirnik, tym więcej energii z wiatru można pozyskać.
Niektórzy producenci oferują dwa różne wirniki dla jednego generatora wiatrowego. Większy wirnik zapewnia przekazywanie wystarczającej ilości energii do generatora nawet na obszarach o umiarkowanym potencjale wietrzności.
| Moc wiatraka | Roczna produkcja energii przy wietrze 4,4 m/s | Roczna produkcja energii przy wietrze 5 m/s | Średnica śmigieł |
| 1 kW | 1.000 kWh | 1.916 kWh | 2,8 m |
| 2 kW | 2.000 kWh | 3.832 kWh | 3,5 m |
| 3 kW | 3.000 kWh | 6.130 kWh | 4 m |
Turbina wiatrowa z wirnikiem o średnicy jednego metra i mocy 100 watów może generować od 100 do 300 kilowatogodzin energii elektrycznej rocznie, w zależności od warunków wietrzności w danej lokalizacji. Takie mikroturbiny wiatrowe można znaleźć na przykład na żaglowcach.
Typowa moc nominalna małej turbiny wiatrowej wynosi 5 kilowatów. W lokalizacji o dobrych warunkach wietrzności taki system może generować 5.000 kilowatogodzin energii elektrycznej rocznie. Jednak w lokalizacji o niewielkim potencjale wietrzności wydajność będzie znacznie niższa.
Ile kosztuje mała turbina wiatrowa?
Przedstawiając w dalszej części szacunkowe koszty turbin wiatrowych, będziemy mówić tylko o wysokiej jakości turbinach wiatrowych, ponieważ jedynie one mają sens w dłuższej perspektywie i są odporne na burze. Prosta mini turbina wiatrowa ze sklepu z elektroniką za 1.000 zł nie wystarczy, jeśli poważnie myślisz o wytwarzaniu energii elektrycznej.
Ile kosztuje turbina wiatrowa o mocy 5 kW?
Turbina wiatrowa o mocy 5 kW kosztuje ok. 70.000 zł brutto. Łącznie z masztem i fundamentem. Cena turbiny wiatrowej o mocy 3 kW to wydatek ok. 45.000 zł brutto.
Jak widać, ceny turbin wiatrowych są znacznie wyższe niż instalacji fotowoltaicznych. Ze względu na masową produkcję, ceny fotowoltaiki istotnie zmalały w ostatnich latach. Skala produkcji turbin wiatrowych nie oferuje takiego potencjału redukcji kosztów.
Czy turbiny wiatrowe są opłacalne?
Na początek ustalmy kiedy turbina wiatrowa jest opłacalna?
Turbina wiatrowa jest opłacalna, jeśli możesz produkować energię elektryczną taniej za pomocą turbiny niż kupować ją z elektrowni. Wówczas można zaoszczędzić na kosztach energii elektrycznej.
Na przykład: cena zakupu energii elektrycznej wynosi 1 zł za kilowatogodzinę (kWh) – cenę zakupu prądu można odczytać z rachunku za prąd. Dzięki małej turbinie wiatrowej można wytwarzać energię elektryczną za 36 groszy za kWh. Oznacza to, że można wytwarzać energię elektryczną taniej za pomocą turbiny wiatrowej niż kupować ją z sieci publicznej.
Tyle w teorii, a jak wygląda praktyka?
Ogólnie rzecz biorąc, kluczowa jest lokalizacja o dobrej wietrzności. Tylko wtedy produkcja energii elektrycznej będzie wystarczająco wysoka, aby koszty energii z wiatru były konkurencyjne.
W przypadku wielu domów mała turbina wiatrowa często nie może być eksploatowana ekonomicznie, ponieważ w danej lokalizacji nie ma wystarczającej ilości wiatru. Cena energii elektrycznej generowanej przez turbinę wiatrową jest wówczas (znacznie) wyższa niż cena energii elektrycznej z sieci. Wyjątki potwierdzają regułę: na przykład dom na otwartej przestrzeni w wietrznej lokalizacji.
Zakłady przemysłowe często mają znacznie lepsze warunki niż gospodarstwa domowe. Dzieje się tak częściowo dlatego, że w lokalizacjach przemysłowych, które są zlokalizowane na peryferiach wiatr wieje znacznie intensywniej niż na obszarach zabudowanych. To samo dotyczy gospodarstw rolniczych w odizolowanych miejscach.
Turbiny wiatrowe są opłacalne tylko wtedy, gdy zużycie własne (autokonsumpcja) energii z wiatru jest tak wysoka, jak to tylko możliwe. Wynika to z faktu, że cena odsprzedaży energii z OZE jest bardzo niska.
Jak wybrać turbinę wiatrową?
Rynek małych turbin wiatrowych jest trudny w nawigacji dla laika. Istnieje wielu dostawców i jeszcze więcej turbin wiatrowych, ale nie wszystkie z nich są warte polecenia. Wątpliwe obietnice reklamowe niektórych dostawców i producentów nie są rzadkością.
Wysoka jakość jest niezbędna w przypadku małych turbin wiatrowych! Wynika to z faktu, że wiatr może wywierać ekstremalną siłę na turbinę. Ze względu na ruchome części (wirnik i generator) oraz duże obciążenie mechaniczne, tylko wysokiej jakości mała turbina wiatrowa przetrwa wiele lat pracy bez większych awarii i napraw. Niezbędne są niezawodne systemy bezpieczeństwa i ochrony przed burzą.
Jakie są rodzaje turbin wiatrowych?
W przypadku małych turbin wiatrowych rozróżnia się poziome i pionowe turbiny wiatrowe – w zależności od położenia osi wirnika. Poniższy schemat ilustruje różnice.
Poziome turbiny wiatrowe – turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu
Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu to te urządzenia, które przychodzą na ogół na myśl, gdy mówimy o turbinach wiatrowych.
Turbiny o osi poziomej to najczęściej obecnie stosowane rodzaje turbin; posiadają trzy śmigła (łopaty), które obracają się wokół osi poziomej. Aby pracować z maksymalną wydajnością, turbiny o osi poziomej i ich wirniki powinny być skierowane w kierunku wiatru.
Wszystkie potężne turbiny wiatrowe na farmach wiatrowych mają poziomą oś wirnika. Jeśli chcesz generować energię wiatrową po najniższych możliwych kosztach przy użyciu niezawodnej i sprawdzonej na rynku technologii, najlepszym wyborem będzie pozioma turbina wiatrowa.
Pionowe turbiny wiatrowe – turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu
Turbiny o osi pionowej posiadają łopatki obracające się wokół osi pionowej. W przeciwieństwie do turbin poziomych, turbiny pionowe nie muszą być skierowane bezpośrednio w kierunku wiatru, aby działać wydajnie; mogą one wykorzystywać wiatr wiejący z różnych kierunków. W większości przypadków turbiny o osi pionowej nie są w stanie wyprodukować tyle energii elektrycznej, co turbiny o osi poziomej
Wadą pionowych turbin wiatrowych jest to, że połowa powierzchni wirnika porusza się pod wiatr. Ruch wirnika pod wiatr prowadzi do ograniczenia prędkości, a dodatkowo mogą występować wibracje.
Montaż wiatraka na gruncie czy na dachu?
Doświadczenie pokazuje, że montaż turbiny wiatrowej na dachu w większości przypadków nie zakończy się sukcesem. Głównym tego powodem są często trudne warunki wiatrowe na dachach. Zwłaszcza w przypadku małych turbin stosuje się maszty, które są zbyt krótkie i mają mniej niż 2 metry długości. Wirnik znajduje się wówczas zbyt blisko dachu w obrębie strefy turbulencji wiatru.
Turbina wiatrowa na balkonie również nie jest dobrym pomysłem z tego samego powodu.
Jeśli to możliwe, turbina wiatrowa powinna być zainstalowana na maszcie zamocowanym do gruntu obok budynku. W ogrodzie lub na terenie, który nie jest zastawiony w kierunku z którego najczęściej wieje wiatr.
Co jest najważniejsze dla małej turbiny wiatrowej?
Wietrzna lokalizacja!
Najczęściej popełnianym błędem jest nie sprawdzenie potencjału wiatru w miejscu montażu.
Instalacja turbiny wiatrowej w miejscu o niewielkiej wietrzności będzie nieudaną inwestycją i będzie prowadzić do rozczarowań. Zbyt mała ilość wiatru oznacza zbyt mało energii elektrycznej, więc kilowatogodzina energii elektrycznej wytworzona przez turbinę będzie zbyt droga.
Czy małe turbiny wiatrowe wymagają zezwolenia?
Małe turbiny wiatrowe, jako konstrukcje, co do zasady podlegają obowiązkowi uzyskania zezwolenia i wymagają pozwolenia na budowę. Istnieją jednak wyjątki. Decydującym czynnikiem jest całkowita wysokość turbiny.
Wiatrak na gruncie – wymagane jest pozwolenie
Jeśli wiatrak ma zostać zamontowany na gruncie i konieczne jest jest wykonanie fundamentu i/lub konstrukcji, to zgodnie z artykułem trzecim prawa budowlanego stanowi to budowę i wymaga pozwolenia. Nie ma zatem znaczenia, jakiej wielkości jest to maszt.
Wiatrak na dachu – może wymagać pozwolenia
Jeżeli turbina wiatrowa nie powoduje zmiany parametrów użytkowych lub technicznych budynku, montaż wiatraka można określić jako instalację (połączenie dwóch obiektów). Montaż turbiny nie wymaga wówczas ani zgłoszenia, ani pozwolenia na budowę (jeśli konstrukcja wiatraka nie przekracza 3 m, lub wymaga zgłoszenia, gdy konstrukcja wiatraka przekracza 3 m.
Jeżeli jednak w wyniku montażu wiatraka nastąpi zmiana parametrów technicznych, użytkowych lub innych parametrów charakterystycznych budynku, wówczas montaż może zostać zakwalifikowany jako przebudowa lub rozbudowa. W takiej sytuacji potrzebne będzie pozwolenie na budowę. Przykładem takiego montażu wiatraka może być wykonanie masztu o określonej konstrukcji i mocowaniu, który będzie przenosił obciążenia i w ten sposób oddziaływał na budynek.
Montaż wiatraka na budynku zabytkowym
Jeżeli montaż turbiny wiatrowej ma się odbyć na obszarze wpisanym do rejestru zabytków wymagane jest zgłoszenie robót budowlanych, natomiast gdy wiatrak ma być montowany na budynku zabytkowym, potrzebne jest pozwolenie na budowę. W obu przypadkach potrzebna jest opinia konserwatora.
Poziom hałasu wiatraka
Pamiętać również należy, iż wiatrak nie może przekraczać dopuszczalnych norm hałasu, czyli 50 dB na granicy działki w ciągu dnia oraz 40 dB w nocy.
Podsumowanie: Kiedy małe turbiny wiatrowe mają sens?
Decydującym kryterium jest to, gdzie turbina wiatrowa ma pracować. Czy ma być podłączona do sieci energetycznej, czy nie? Podobnie jak w przypadku instalacji fotowoltaicznych, wiatraki można podzielić na:
a) podłączone do sieci energetycznej (on-grid), oraz
b) nie podłączone do sieci energetycznej (systemy autonomiczne, off-grid).
Turbina wiatrowa podłączona do sieci
Większość domów w Polsce jest podłączona do publicznej sieci energetycznej. W takich lokalizacjach należy zadać sobie pytanie, czy można wytwarzać energię elektryczną taniej za pomocą własnej turbiny wiatrowej niż kupując ją z elektrowni.
Małe turbiny wiatrowe mogą być szczególnie przydatne dla firm (przedsiębiorstw handlowych, przemysłu itp.). W wietrznych lokalizacjach energia elektryczna może być wytwarzana ekonomicznie za pomocą własnego wiatraka.
Wynika to z wielkości wiatraków montowanych na potrzeby firm. Ich moce wynoszą od 10 do 250 kilowatów a wysokość od 25 do 50 metrów. Ze względu na wysokie maszty, wirniki znajdują się w strefie silnych wiatrów. W grę wchodzą również korzyści skali: im większa turbina wiatrowa, tym niższe koszty jednostkowe inwestycji, a w rezultacie niższe koszty energii z wiatru.
Przydomowe elektrownie wiatrowe są w trudniejszej sytuacji: stosunkowo niewielka wysokość masztu, na ogół do 10 metrów w miejscu o słabym wietrze często przyczyniają się do niskiej wydajności. Nie jest to dobry pomysł: mini turbina wiatrowa w środku dzielnicy mieszkalnej, czy na dachu, czy na gruncie obok domu. Przydomowa elektrownia wiatrowa jednak może uzyskiwać wysoką wydajność na otwartym terenie.
Turbina wiatrowe nie podłączona do sieci energetycznej
W odległych lokalizacjach, z dala od publicznej sieci elektrycznej, małe turbiny wiatrowe mogą być użytecznym źródłem energii elektrycznej. Zazwyczaj w połączeniu z fotowoltaiką i magazynem energii. Takie małe hybrydowe systemy mogą konkurować na przykład z generatorami diesla.