W latach 50-tych szerokie, "żaglowe" skrzydła wiatraków zostały zastąpione sztywnymi płatami (przypominającymi skrzydła samolotu), które znacznie wydajniej wychwytują wiatr, ponieważ cechuje je korzystniejszy stosunek działającej siły do oporów ruchu. Proces przebiega w podobny sposób we wszystkich turbinach.

Turbina wiatrowa pracuje odwrotnie do wiatraka chłodzącego pomieszczenie. Ten ostatni pobiera prąd i wytwarza podmuch powietrza, natomiast turbina wykorzystuje wiatr do produkcji energii elektrycznej. Poruszające się powietrze (wiatr) wprawia w ruch płaty (których kształt sprawia, że działająca siła przewyższa opory ruchu, co wywołuje obrót wirnika wokół osi), a te powodują ruch obrotowy wału podłączonego do generatora produkującego energię elektryczną. Energia elektryczna jest przesyłana przez sieć przewodów dystrybucyjnych do podstacji i dalej do budynków mieszkalnych, publicznych i szkół.

Duża turbina wiatrowa

By zapewnić urządzeniu odpowiednią ilość wiatru, turbinę umieszcza się na wysokiej wieży (maszcie) tak, by wirnik był skierowany w stronę, z której wieją najsilniejsze i najbardziej stałe wiatry. Przekładnia i stycznik turbiny zapewniają dopływ do sieci energii elektrycznej o odpowiedniej częstotliwości (50 Hz) i napięciu (230 V), niezależnie od zmian prędkości wiatru. Stycznik pozostaje włączony do chwili, kiedy turbina nie może wytworzyć wystarczającej ilości energii z wiatru. Wtedy wyłącza się, pozwalając wirnikowi swobodnie się obracać.

Kiedy zmienia się kierunek wiatru, turbina także musi zmienić położenie i ustawić się w odpowiednią stronę. W dużych turbinach zmiana kierunku dokonywana jest przez silniki elektryczne, natomiast w bardzo małych turbinach dzieje się to w sposób bierny i odpowiadają za to wiatrowskazy znajdujące się w tylnej części urządzenia.

Charakterystyka konstrukcji turbin wiatrowych
Podstawowe parametry konstrukcyjne turbin to:

• liczba płatów; trzy są optymalne dla zrównoważenia wirnika
• długość płatów; moc turbiny wzrasta z powierzchnią zagarnianego powietrza (tj. z kwadratem długości)
• położenie płatów względem wieży; niemal zawsze płaty są osadzone na wirniku po nawietrznej stronie masztu, dzięki czemu nie są zasłonięte od wiatru.

Poniższy schemat przedstawia niektóre elementy wewnętrznego mechanizmu turbiny wiatrowej:

Mechanizm turbiny wiatrowej - zauważ, że płaty tej turbiny są umieszczone po nawietrznej stronie masztu. Źródło: Alliant Kids Energy
Prędkość końców łopat jest zwykle stała, zatem im większa turbina, tym wolniej obraca się trzon wirnika. Z kolei prędkość obrotu małych turbin, do wysokości 3 m, jest wystarczająco szybka do uzyskania częstotliwości prądu sieci elektrycznej bez potrzeby pośredniczącej przekładni zębatej.

Rodzaje mikroturbin wiatrowych
Istnieją dwie główne klasy turbin wiatrowych, których płaty obracają się w innym kierunku, czyli wokół innych osi: o poziomej osi obrotu (np. London Eye lub tradycyjny holenderski wiatrak) oraz o pionowej osi obrotu (niczym karuzela).

a)

b)

a) turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu (Quite Revolution 5), źródło: XC02 Low Carbon Engineering
b) turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu (Proven WT6000), źródło: Proven Energy

Wielkość instalacji wiatrowych
Małe turbiny wykorzystuje się do ładowania akumulatorów, produkcji prądu elektrycznego dla budynków mieszkalnych, szkół i obiektów publicznych. Turbiny te zwykle mają wysokość 1-15 m i wytwarzają energię elektryczną o mocy od 100W do 5 kW (5000 W). Najmniejsze z tych instalacji stosowane są do ładowania akumulatorów lub zasilania oświetlenia ulicznego. Nieco większe, np. o mocy 500 W, stosuje się do ładowania dużych akumulatorów używanych w przyczepach kempingowych i na łodziach.

Dla przeciętnego budynku mieszkalnego najlepsze są turbiny o mocy 1-2,5 kW i wielkości małego człowieka. Są one zwykle umieszczane na budynkach, które zasilają (turbiny zintegrowane). Instalacje produkujące energię na większą skalę są wykorzystywane przez szkoły i inne budynki publiczne. Zwykle montowane są na masztach, w pewnej odległości od budynków.

Instalacje niezależne (wolnostojące) oraz połączone w sieć
Mała elektrownia wiatrowa jest dobrym rozwiązaniem dla wytwarzania energii elektrycznej w miejscach, gdzie jej dostarczanie przez sieć przewodów jest kosztowne (np. krajowa sieć energetyczna w Wielkiej Brytanii). Ma to miejsce na przykład na daleko położonych obszarach (małe wyspy), które nie są przyłączone do sieci krajowej. Te "pozasieciowe" systemy do magazynowania wytworzonej energii potrzebują akumulatorów i często są połączone z generatorami spalinowymi (na ropę), które dostarczają energii, gdy wiatr wieje z niską prędkością. Systemy wiatrowe mogą także być stosowane tam, gdzie istnieje dostęp do sieci krajowej; w tym przypadku nie są potrzebne akumulatory. Niewykorzystana energia elektryczna może być przekazana do sieci i sprzedana przedsiębiorstwom energetycznym. Zysk ze sprzedaży pokrywa część kosztów budowy turbiny.

Oddziaływanie na środowisko
W porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii, opartymi na paliwach pochodzenia mineralnego, oddziaływanie na środowisko w procesie produkcji energii elektrycznej z energii wiatrowej jest niewielkie. W jego wyniku nie powstają zanieczyszczenia środowiska, a jedyne istotne efekty to zmiany w krajobrazie oraz hałas.

Większość turbin wiatrowych szpeci krajobraz nie bardziej niż słupy wysokiego napięcia, na których rozpięte są przewody biegnące od elektrowni do ośrodków dystrybucyjnych, gdzie napięcie jest przetwarzane do poziomu możliwego do wykorzystania w domu.. Ludzie są jednak przyzwyczajeni do oglądania słupów nawet w miejscach chronionych przyrodniczo - ale nie przywykli jeszcze do widoku turbin, dlatego wokół tej kwestii toczą się dyskusje, a protesty są uwzględniane przez urzędników planujących zagospodarowanie przestrzeni.

Innym istotnym czynnikiem jest emisja hałasu, wynikająca z zawirowań powietrza powstającego na brzegach łopat. Należy jednak pamiętać, że niemal wszystkie urządzenia zwierające ruchome elementy produkują hałas i turbiny wiatrowe nie należą w tym względzie do wyjątku. Dobrze zaprojektowane turbiny pracują zwykle cicho, a w porównaniu z hałasem choćby ruchu ulicznego, pociągów, samolotów i prac budowlanych, hałas wytwarzany przez turbiny jest bardzo niewielki. Rozwiązania techniczne to modyfikacja kształtu brzegów płatów w celu poprawy przepływu powietrza, zastosowanie opasek na końcach płatów oraz zmniejszenie prędkości końców łopat. Duże turbiny, które zwykle umiejscawia się na terenach wiejskich, są na ogół położone co najmniej 400 m od najbliższych zabudowań. Z tej odległości hałas turbiny wiatrowej wytwarzającej prąd elektryczny odpowiada dźwiękowi strumienia płynącego w odległości 50-100 m, szelestowi liści poruszanych przez wiatr, natężeniu dźwięku w typowym pomieszczeniu dziennym, w którym pracuje piecyk gazowy, lub w bibliotece albo czytelni (szelest kartek), czy też w pustym, klimatyzowanym biurze.

Małe turbiny, zamontowane na budynku, nie psują krajobrazu bardziej niż anteny telewizyjne lub satelitarne. Odczuwanie hałasu zależy od natężenia dźwięków dochodzących z ulicy, linii kolejowych lub lotniska. Dla małych turbin istnieją dodatkowe rozwiązania techniczne, które mogą zredukować hałas do poziomu możliwego do zaakceptowania.

Zasoby energii wiatrowej
Prędkość wiatru zmienia się w krótkim (kilka sekund) jak i w długim (kilka godzin) czasie. Pociąga to za sobą zmienność ilości produkowanej.

Przykład 24-godzinnych zmian ilości energii wytwarzanej przez dużą turbinę wiatrową (dane dotyczą przemysłowej turbiny wiatrowej; źródło: Danish Wind Energy Association)

Jeśli produkcja turbiny jest jedynym źródłem energii elektrycznej dla danego obiektu, okresy ciszy wiatrowej w ciągu dnia mogą być niewystarczające do pokrycia zapotrzebowania na energię. Wtedy niektóre urządzenia domowe trzeba wyłączyć, by podtrzymać odpowiednie napięcie i częstotliwość w turbinie. Na wyspie Fair, położonej między Orkadami i Szetlandami, od 20 lat stosuje się system automatycznego wyłączania instalacji grzewczych.

Typowa produkcja mikroturbiny oraz zapotrzebowanie gospodarstwa domowego na energię elektryczną, z zaznaczeniem importu i eksportu energii

W przypadku małych turbin do użytku domowego, które są podłączone do sieci krajowej, sieć może pełnić funkcję odbiornika energii, gdy powstaje nadwyżka energii (eksport turbiny), jak i źródła w razie jej niedoboru (import gospodarstw domowych), co pozwala pokryć zapotrzebowanie energetyczne. Niezbędny jest wtedy dodatkowy licznik "importu i eksportu", służący do zapisu energii wysyłanej do sieci.

Pomiar i wykorzystanie wytworzonej energii

Naukowym sposobem pomiaru prędkości wiatru jest umieszczenie na maszcie wiatromierza z chorągiewką wskazującą kierunek wiatru. Odczyt powinien być wykonywany na wysokości osi wirnika turbiny.

Wiatromierz czaszowy na maszcie oraz wskaźnik kierunku wiatru, na wysokości osi wirnika turbiny wiatrowej. Źródło: Sigen

Prostszym sposobem oznaczenia kierunku wiatru jest posłużenie się rękawem lub chorągiewką, które wskazują zarówno kierunek jak i prędkość wiatru.

Do określenia rocznej produkcji energii niezbędne są pomiary w lecie oraz w zimie. Wielka Brytania jest w korzystnej sytuacji, ponieważ wiatr wieje tam najsilniej zimą, kiedy zapotrzebowanie na energię jest najwyższe. Z kolei energia generowana przez ogniwa fotowoltaiczne osiąga maksymalne wartości w okresie letnim. Łączne zastosowanie fotoogniw i turbin wiatrowych byłoby pewniejszym źródłem energii, niż każde z tych urządzeń z osobna, jednak nie jest to opłacalne na obecnym etapie rozwoju technologicznego.

Większość turbin wiatrowych zaczyna wytwarzać energię przy prędkości wiatru co najmniej 3 m/s. Przy prędkości ponad 8 m/s produkcja energii wzrasta wolniej, a stabilizuje się, gdy prędkość wiatru przekroczy 10-12 m/s. Dla małych turbin prędkość 3-8 m/s jest korzystniejsza niż silne podmuchy wiatru, ponieważ wydajniejsza jest produkcja niewielkich ilości energii elektrycznej, ale w dłuższym czasie.

Produkcja energii przez małą turbinę w funkcji prędkości wiatru. Źródło Cornwall College

Potencjał wiatru

Turbina wiatrowa musi być ustawiona w kierunku, z którego najczęściej wieje wiatr i nie może być zasłonięta przez budynki lub drzewa. Potencjalne miejsce można ocenić wizualnie oraz badając kierunek i siłę wiejącego wiatru.

Kolejnym krokiem jest wykonanie pomiarów prędkości wiatru. Maszt wiatromierza musi być wyższy od szczytu budynku i odpowiednio ustabilizowany za pomocą odciągów. Ponieważ siła wiatru jest bardzo zmienna, obserwacje powinny być przeprowadzane w określonych odstępach czasu przez cały dzień, przez okres miesiąca lub dłużej. Pozwoli to wyznaczyć średnią prędkość wiatru.

W oparciu o informacje producenta będzie można następnie powiązać średnią prędkość wiatru z mocą produkcyjną i obliczyć ilość produkowanej energii. Tę wartość można porównać ze zużyciem energii elektrycznej wskazanym na rachunku za energię. Jeśli produkcja turbiny przekracza 25% zużycia energii, oznacza to, że warto zainwestować w małą turbinę wiatrową.

Zastosowanie	Opłacalność
Dodatkowe informacje