Małe elektrownie wiatrowe < 5 kW

Producenci małych elektrowni wiatrowych w obecnej chwili nie muszą spełniać rygorystycznych wymagań odnośnie jakości generowanej energii, wydajności (szczególnie podawanej przez producenta krzywej mocy), czy hałasu.  W dużych komercyjnych farmach wiatrowych, dane producenta muszą zgadzać się z rzeczywistością. Przed przyłączeniem takiej farmy do sieci wykonywane są rygorystyczne testy przyłączeniowe, po roku eksploatacji wykonuje się pomiary krzywej mocy itd.

Do najważniejszych dla nas jako użytkowników, parametrów małej elektrowni wiatrowej należą:

1. Moc turbiny, krzywa mocy

Producenci małych elektrowni wiatrowych bardzo różnie określają moc elektrowni wiatrowej. Najbardziej mylnym jest przedstawienie mocy maszyny jako maksymalnej CHWILOWEJ! mocy jaką jest w stanie wygenerować. Najbardziej odpowiednim sposobem przedstawienia charakterystyki turbiny jest krzywa mocy. Pomiar rzeczywistej krzywej mocy nie jest sprawą prostą (a zarazem jest :))ponieważ potrzebujemy mierzyć prędkość wiatru napływającego na turbinę (za pomocą anemometru) oraz moc generowaną przez turbinę. Z uzyskanych wyników można wykreślić krzywą mocy jak na rys. poniżej.

Wymagania dotyczące poprawności krzywej mocy podawanej przez producenta elektrowni wiatrowej są ściśle określone w przypadku dużych komercyjnych turbin. Po wybudowaniu farmy wiatrowej przeprowadza się testy krzywej mocy i jeśli turbina ich nie przejdzie producent narażony jest na stratę reputacji i konsekwencje finansowe.

W przypadku małych elektrowni wiatrowych regulacje dopiero się tworzą. W niektórych krajach z systemem wsparcia dla mikrogeneracji działają instytytuty które certyfikują daną turbinę (UK - MicrogenerationCertificate Scheme  , Dania -Danish Certification, USA - Small Wind Certification Council ). Nie każdy producent małej turbiny może sobie pozwolić na certyfikat którejś z powyższych instytucji gdyż wpisowe na test też jest nie małe dlatego istnieją inne instytuty zajmujące się testowaniem małych elektrowni wiatrowych.
W poszukiwaniach turbiny wiatrowej przede wszystkim powinniśmy zacząć od pytania na ile moc lub krzywa mocy podawana przez producenta odpowiada rzeczywistości. Odpowiedzi należy szukać w upublicznianych testach krzywych mocy wybranych turbin (szukać w google "nazwa turbiny" power curve test ). Oprócz amerykańskiego NREL w Europie także działają podobne instytuty. Jednym z nim jest francuski SEPEN (strona po francusku ale po zalogowaniu się jest dostęp do kilkunastu szczegółowych raportów (w pdf) na temat wielu topowych małych elektrowni wiatrowych - polecam ! )
 Dla zainteresowanych podaję link do raportu NREL odnośnie testów krzywej mocy turbiny w której producent podaje 400 W a rezultat pomiarów jest taki że osiągi turbiny to maksymalnie 148 W. (Po opublikowaniu raportu producent zmienił moc turbiny na 125 W).

2 Prędkość obrotowa i sposoby jej ograniczania przy silnych wiatrach.

Podstawowym problemem z małymi elektrowniami wiatrowymi jest taki że jeśli zostawimy je bez obciążenia i przyjdzie duży wiatr to zaczną się bardzo szybko kręcić co może doprowadzić do ich zniszczenia (siła odśrodkowa oderwie łopatki ). Dodatkowo im większa prędkość obrotowa tym większy hałas. Stosowane są 3 rozwiązania ograniczające prędkość obrotową:

• Furling , polega na odchyleniu osi wirnika od kierunku wiatru (przy pomocy specjalnej konstrukcji ogona ). Rozwiązanie jest tanie lecz wiąże się z tym że po przekroczeniu pewnej prędkości wiatru energia produkowana przez turbinę spada znacznie. Na youtube można znaleźć wiele filmików ( należy wpisać "furling wind turbine" ) ukazujących mechanizm w akcji.

• Hamowanie elektromagnetyczne polega na zwieraniu wyjścia z generatora co powoduje wytworzenie dużej siły hamującej wirnik. Niezbędny jest odpowiedni kontroler tym sterujący. Rozwiązanie stosowane przez firmę SWWP w małych turbinkach Air Breeze. Jak powyżej po przekroczeniu pewnej prędkości wiatru generowana moc spada niemal do zera.

• Zmiana kąta natarcia łopatki, (inaczej pitch control ) polega na zmianie kąta natarcia łopatki co powoduje zmianę siły nośnej (jej zmniejszenie ), co z kolei ogranicza obroty a jednocześnie pozwala na dalsze generowanie energii przy silnych wiatrach. Jest to najlepsze rozwiązanie, ale wiąże się z dodatkowym mechanizmem który zazwyczaj składa się z ciężarków zamocowanych przy łopatkach, które przy odpowiednio dużej prędkości obrotowej naciskają na sprężynę (która do tej pory nie dawała im się ruszyć ) i powodują zmianę kąta natarcia łopatek a co za tym idzie ograniczają dalsze zwiększenie się prędkości obrotowej.  

Należy zaznaczyć że rozwiązanie zmiany kąta natarcia łopatki stosuje się w komercyjnych elektrowniach wiatrowych wielkiej mocy natomiast pozostałych nie stosuje się. Znalazły one zastosowanie w małych elektrowniach wiatrowych gdyż są to rozwiązania tańsze a cena jest jednym z ważniejszych czynników którym kierują się klienci. Z dłuższej perspektywy patrząc turbina z mechanizmem pitch control jest bardziej wydajna (produkuje energię nawet podczas sztormów i ekstremalnych wiatrów ) i cichsza (skuteczne ograniczenie prędkości obrotowej ).

3. Sposób ukierunkowania do wiatru

Aby utrzymać wirnik turbiny prostopadle do kierunku wiatru w małych turbinach zazwyczaj stosuje się ogon (na stałe lub przez furling system) połączony z wirnikiem. Innym rozwiązaniem jest nakierowanie turbiny do wiatru za pomocą mechanizmu zwanego YAW umieszczonego w gondoli, lecz nie znalazło to zastosowania w małych turbinach. Trzecim rozwiązaniem jest pochylenie łopatek wirnika w taki sposób że turbina sama ustawia się do wiatru (rozwiązanie c poniżej), zmniejsza to rozmiary turbiny (brak ogona ) ale zmniejsza też jej współczynnik wykorzystania wiatru (pochylone łopatki pracują słabiej).