Przydomowa elektrownia wiatrowa 5 kW - ile prądu wyprodukuje w ciągu roku?

Przydomowa elektrownia wiatrowa 5 kW może w ciągu roku wyprodukować kilka tysięcy kilowatogodzin energii, a w naprawdę dobrym miejscu wynik może być jeszcze wyższy. Nie oznacza to jednak, że generator o mocy 5 kW będzie przez większość czasu rzeczywiście oddawał 5 kW. O produkcji decydują przede wszystkim warunki wiatrowe na wysokości wirnika, wysokość masztu, otoczenie turbiny oraz jej rzeczywista charakterystyka pracy. Dlatego dwie identyczne elektrownie ustawione w różnych miejscach mogą mieć zupełnie inne roczne uzyski.

Co oznacza moc elektrowni wiatrowej 5 kW?

5 kW to moc znamionowa turbiny, a nie moc, którą urządzenie będzie oddawało bez przerwy. Generator osiąga ją dopiero przy określonej przez producenta prędkości wiatru. Gdy wieje słabiej, turbina produkuje mniej. Przy bardzo słabym wietrze może nie produkować użytecznej energii wcale.

Łatwo policzyć wartość czysto teoretyczną. Gdyby turbina o mocy 5 kW pracowała z pełną mocą przez wszystkie 8760 godzin roku, wyprodukowałaby:

5 kW × 8760 h = 43 800 kWh rocznie

Tyle że w rzeczywistych warunkach taki scenariusz nie występuje. Wiatr zmienia prędkość, czasem słabnie niemal do zera, a czasem jest wystarczająco silny, by turbina osiągnęła moc znamionową. W ciągu roku urządzenie przechodzi więc przez bardzo różne punkty pracy.

Dlatego przy wyborze turbiny znacznie ciekawsza od samego napisu "5 kW" jest jej krzywa mocy. Pokazuje ona, ile energii generator może oddawać przy kolejnych prędkościach wiatru.

Ile energii może wytworzyć turbina 5 kW?

Dobrym sposobem pokazania możliwego uzysku jest współczynnik wykorzystania mocy. Mówi on, jaką część maksymalnej teoretycznej produkcji udało się rzeczywiście uzyskać w ciągu roku.

Nie są to prognozy dla konkretnej działki. Tabela pokazuje natomiast, jak duża może być różnica między turbiną stojącą w kiepskim miejscu a identycznym urządzeniem pracującym na otwartym, dobrze przewietrzanym terenie.

Przy wykorzystaniu mocy na poziomie 10% otrzymamy około 4380 kWh rocznie. Przy 20% produkcja rośnie już do około 8760 kWh. Moc znamionowa turbiny w obu przypadkach nadal wynosi 5 kW - zmieniają się warunki, w których pracuje.

Najważniejsze parametry przydomowej turbiny wiatrowej

Porównując dwie turbiny, nie warto zatrzymywać się na mocy znamionowej. Z karty technicznej można wyczytać znacznie więcej - i często właśnie tam widać, czy urządzenie ma szansę dobrze pracować w danej lokalizacji.

Prędkość wiatru a produkcja energii

W energetyce wiatrowej kilka metrów na sekundę robi dużą różnicę. Moc dostępna w strumieniu powietrza można w uproszczeniu zapisać jako:

P = 1/2 × ρ × A × v³

gdzie ρ oznacza gęstość powietrza, A - powierzchnię omiataną przez wirnik, a v - prędkość wiatru.

Najważniejsze jest tutaj v³. Energia dostępna w wietrze rośnie bardzo szybko wraz z jego prędkością. Dlatego miejsce ze średnio nieco silniejszym wiatrem może okazać się dla turbiny znacznie lepsze, niż sugerowałaby sama różnica 1 czy 2 m/s.

Nie należy jednak przekładać tej zależności wprost na produkcję elektryczną. Konkretna turbina ma swoją krzywą mocy, sprawność i ograniczenia. Po osiągnięciu mocy znamionowej sterowanie nie pozwala przecież, aby moc rosła bez końca wraz z wiatrem.

Współczynnik wykorzystania mocy - co mówi o elektrowni?

To bardzo wygodny sposób na szybkie przeliczenie mocy turbiny na energię produkowaną w skali roku.

energia roczna = moc turbiny × 8760 h × współczynnik wykorzystania mocy

Jeśli dla turbiny 5 kW założymy współczynnik wykorzystania mocy na poziomie 15%, otrzymamy:

5 kW × 8760 h × 0,15 = 6570 kWh

I właśnie ten wynik jest znacznie bardziej użyteczny niż czysto teoretyczne 43 800 kWh. Pokazuje bowiem efekt pracy przy zmiennym wietrze, a nie sytuację, w której turbina przez cały rok działałaby na pełnej mocy.

Dlaczego wysokość masztu ma tak duże znaczenie?

Nawet dobra turbina ustawiona za nisko może rozczarować. Kilka metrów nad ziemią wiatr jest mocno zaburzany przez budynki, drzewa, ogrodzenia i samo ukształtowanie terenu.

Wyżej przepływ powietrza jest zwykle szybszy i bardziej uporządkowany. To ważne, bo wirnik nie lubi gwałtownych zmian kierunku i prędkości. Turbina stojąca w zawirowanym strumieniu może często się obracać, a mimo to produkować niewiele energii.

Pomiar wykonany dwa metry nad ziemią może więc niewiele mówić o warunkach na maszcie kilkanaście metrów wyżej. Podobnie jest z danymi z najbliższej stacji pogodowej - mogą być dobrą wskazówką, ale nie pokażą wpływu domu, drzew czy lokalnego wzniesienia na konkretnej działce.

Czy warto montować turbinę wiatrową na dachu?

Pomysł wydaje się logiczny - dach jest wysoko i pozwala uniknąć budowy osobnego masztu. W praktyce nie zawsze jest to dobre miejsce.

Przepływ powietrza wokół budynku jest zaburzony. Na krawędziach dachu i nad połacią powstają turbulencje, a wiatr potrafi szybko zmieniać kierunek. Dla wirnika są to znacznie gorsze warunki niż spokojniejszy przepływ na wolnostojącym maszcie.

Dochodzi jeszcze hałas i możliwość przenoszenia drgań na konstrukcję budynku. Dlatego turbina stojąca nieco dalej od domu, ale wyżej i w czystszym strumieniu powietrza, może wytworzyć więcej energii niż podobne urządzenie przykręcone do dachu.

Co najbardziej zmniejsza produkcję energii?

Jeżeli turbina produkuje mniej, niż zakładano, nie zawsze oznacza to problem z generatorem. Często przyczyna znajduje się wokół niego.

• Zbyt niski maszt - wirnik pracuje bliżej przeszkód i w bardziej turbulentnym powietrzu.
• Budynki i drzewa - tworzą za sobą strefy zawirowań i osłabionego przepływu.
• Złe miejsce na działce - przesunięcie turbiny nawet o kilkadziesiąt metrów może zmienić warunki jej pracy.
• Turbulencja - obniża uzysk i zwiększa zmienne obciążenia mechaniczne.
• Straty w przewodach - przy długich trasach i zbyt małym przekroju część energii zostaje tracona.
• Źle dobrany falownik lub regulator - elektronika musi pasować do charakterystyki generatora.
• Zbyt duża turbina względem lokalnych warunków - moc 5 kW niewiele pomoże, jeśli wiatr rzadko pozwala wejść w zakres wysokiej mocy.

Szczególnie zdradliwe są turbulencje. Turbina może wyglądać na bardzo aktywną, wirnik obraca się niemal cały czas, ale zmienny i nieuporządkowany wiatr nie musi przekładać się na dobry uzysk energii.

Jak oszacować produkcję przed zakupem turbiny?

Najbardziej wiarygodne oszacowanie powstaje po zestawieniu danych o lokalnym wietrze z krzywą mocy konkretnej turbiny. Sama średnia roczna prędkość wiatru jest pomocna, ale nie mówi wszystkiego.

Dobrze byłoby przed zakupem:

1. określić prędkość wiatru na wysokości planowanego wirnika,
2. sprawdzić, jak często występują poszczególne prędkości,
3. poznać dominujące kierunki wiatru,
4. uwzględnić domy, drzewa i ukształtowanie terenu,
5. porównać te dane z krzywą mocy wybranego modelu,
6. uwzględnić straty występujące w całym układzie.

Dlaczego sama średnia może wprowadzać w błąd? Dwie lokalizacje mogą mieć średnio 5 m/s, ale w jednej wiatr przez większość czasu będzie umiarkowany, a w drugiej wystąpi wiele okresów ciszy przeplatanych silnymi podmuchami. Dla turbiny nie są to identyczne warunki.

Czy elektrownia wiatrowa 5 kW wystarczy dla domu?

Pod względem rocznej ilości energii - może. Jeśli turbina uzyska 10% wykorzystania mocy, da około 4380 kWh rocznie. Przy 15% będzie to około 6570 kWh, a przy 20% około 8760 kWh.

To nadal nie znaczy, że dom będzie przez cały rok zasilany bezpośrednio z wiatraka. Produkcja może zmieniać się z godziny na godzinę. W bezwietrzny dzień spadnie niemal do zera, a podczas dobrego wiatru może być większa niż aktualne zużycie budynku.

Trzeba więc oddzielić dwie rzeczy: bilans energii w ciągu roku i chwilową dostępność mocy. To nie jest to samo.

W instalacji współpracującej z siecią niedobór energii może zostać pokryty z sieci, a sposób zagospodarowania nadwyżek zależy od konfiguracji systemu. W instalacji wyspowej potrzebny będzie magazyn energii albo inne źródło, które przejmie zasilanie podczas ciszy wiatrowej.

W dobrej lokalizacji przydomowa elektrownia wiatrowa 5 kW może pokrywać znaczną część rocznego zapotrzebowania domu. Ten sam model ustawiony nisko, pomiędzy drzewami i zabudowaniami, może jednak dać wynik daleki od oczekiwań. W przypadku małych elektrowni wiatrowych miejsce ustawienia turbiny i wysokość wirnika potrafią być równie ważne jak sam generator.

FAQ - przydomowa elektrownia wiatrowa 5 kW