Na papierze 5 kW, w praktyce tylko 80 W. O tym sprzedawcy wiatraków mówią niewiele
Ile energii może wyprodukować przydomowa turbina w trakcie wietrznego dnia? Okazuje się, że osiągi tego urządzenia nie zależą wyłącznie od jego mocy nominalnej. Czy wiesz, jakie aspekty najmocniej wpływają na produkcję energii? Zdradzamy, o czym sprzedawcy wiatraków wolą nie wspominać.
- Prędkość wiatru a moc strumienia – zaskakująca zależność
- Jakich informacji dostarcza krzywa mocy?
- Lokalizacja ważniejsza niż moc nominalna? Eksperci nie mają wątpliwości
- Jaka jest optymalna prędkość wiatru dla przydomowej turbiny?
Prędkość wiatru a moc strumienia – zaskakująca zależność
Posiadacze fotowoltaiki doskonale rozumieją, dlaczego ich instalacja produkuje więcej energii podczas słonecznego dnia niż przy mocnym zachmurzeniu. Okazuje się jednak, że nie wszystkie urządzenia należące do kategorii OZE działają w tak przejrzysty sposób. Właściciele przydomowych elektrowni wiatrowych miewają problemy z wyłapaniem podobnych zależności. Dlaczego bowiem przy wietrze wiejącym z prędkością 4 m/s produkcja energii jest minimalna, a przy podmuchach 8 m/s osiągi turbiny rosną kilkukrotnie?
To dlatego, że moc strumienia wiatru jest proporcjonalna do trzeciej potęgi jego prędkości. W uproszczeniu zależność tę możemy zapisać jako P = ½ × ρ × A × v³, gdzie ρ oznacza gęstość powietrza, A – powierzchnię omiataną przez wirnik, a v – prędkość wiatru. Jeżeli prędkość wiatru wzrośnie dwukrotnie, to teoretyczna moc strumienia będzie osiem razy większa.
Jakich informacji dostarcza krzywa mocy?
Wybierając wiatrak, zwróćmy uwagę przede wszystkim na krzywą mocy. Ten wykres pokazuje nam, jaką moc osiąga turbina przy określonej prędkości wiatru. Pamiętajmy też, że urządzenie osiągnie moc nominalną dopiero w momencie, gdy wiatr wieje z odpowiednią prędkością, a w międzyczasie turbina nie będzie pracować na pełnych obrotach.
Pewien producent turbin wiatrowych opublikował krzywą dla jednego ze swoich urządzeń o mocy nominalnej 5 kW. W przypadku konkretnej turbiny moc przy prędkości wiatru na poziomie 3 m/s wynosiła około 0,08 kW, czyli zaledwie 80 W. Przy 5 m/s było to około 0,8 kW, przy 7 m/s około 1,9 kW, a przy 10 m/s około 4,3 kW. Moc nominalna urządzenia jest osiągana przy prędkości wiatru wynoszącej 12 m/s.
Co istotne, opisywany schemat nie jest sprzeczny z zależnością od trzeciej potęgi prędkości. Teoretyczny wzór opisuje moc niesioną przez strumień powietrza, podczas gdy krzywa pokazuje zachowanie konkretnego urządzenia. W poszczególnych zakresach prędkości turbina może wykorzystywać dostępny potencjał z różną efektywnością. Po osiągnięciu odpowiedniej prędkości wiatru dochodzą też ograniczenia konstrukcyjne i sterowanie, które nie pozwalają mocy rosnąć w nieskończoność zgodnie z funkcją sześcienną.
Lokalizacja ważniejsza niż moc nominalna? Eksperci nie mają wątpliwości
Wielu inwestorów zakłada, że skoro prędkość startowa turbiny wynosi zaledwie 2,5–3 m/s, to urządzenie będzie produkować energię nawet w momencie, gdy wiatr jest bardzo słaby. Trzeba jednak pamiętać o tym, że prędkość startowa nie jest tym samym co prędkość, przy której turbina osiąga nominalną moc. Zanim zdecydujemy się na zakup turbiny wiatrowej, koniecznie zwróćmy uwagę na trzy parametry urządzenia: prędkość startową, prędkość nominalną oraz krzywą mocy.
O wpływie lokalnych warunków wiatrowych na pracę turbiny możemy przeczytać na przykład w Atlasie Małej Energetyki Wiatrowej przygotowanym przez IMGW-PIB. W jednej z analiz wykorzystano godzinne pomiary prędkości wiatru z lat 2018–2023. Do oceny potencjalnej produkcji energii użyto danych ze 173 lokalizacji, dla których kompletność danych przekraczała 95%. IMGW-PIB podaje, że tylko 13 spośród analizowanych lokalizacji, czyli 7,5%, osiągnęło współczynnik wykorzystania mocy powyżej 10%. Najwyższe wartości, dochodzące do około 20%, zanotowano jedynie na stacjach położonych bezpośrednio nad Bałtykiem.
Jaka jest optymalna prędkość wiatru dla przydomowej turbiny?
Wyobraźmy sobie dwa identyczne domy z takimi samymi turbinami. Pierwszy stoi na otwartym terenie, a wirnik wiatraka zainstalowano ponad przeszkodami. Drugi dom otaczają wysokie drzewa i zabudowania. Moc znamionowa obu urządzeń jest taka sama, ale ilość produkowanej przez nie energii może wyraźnie się różnić.
Przeszkody terenowe powodują spadek prędkości, ale również turbulencje, dlatego inwestor powinien zwrócić uwagę nie tylko na wysokość masztu, ale też na położenie wirnika względem otaczających obiektów. Ministerstwo Klimatu i Środowiska przypomina, że średnia prędkość wiatru dla efektywnej pracy turbiny powinna wynosić co najmniej 4–5 m/s, a optymalne wartości są osiągane przy około 10–12 m/s. Najlepsze warunki wiatrowe w Polsce występują przede wszystkim na północy kraju, w pasie nadmorskim oraz w innych regionach o korzystnym ukształtowaniu terenu.