O wiatrakach

Wiatrak na dachu domu w naszym osiedlu, w Kędzierówce.

Holendrzy z Instytutu Technologicznego w Delft opracowali znakomity wiatrak na pionowej osi (VAWT, typu Darious’a), który „lubi” zawirowania wiatru. Ta unikalna cecha plus kilka innych (sam startuje, bez stosowanych dawniej urządzeń wspomagających, nie wytwarza wibracji i dźwięków, jako pracujący w oparciu o siłę nośną, a nie opór, ma bardo dobrą sprawność, znacznie większą niż wiatraki typu Savonius’a) wszystko to predestynuje go do stosowania w terenach zurbanizowanych. Autorzy opracowali też wytyczne do jego ustawienia na dachach. Ale badali tylko dachy płaskie. Domy przez nas budowane, ze względu na wierność rodzimej tradycji, zawsze mają kont nachylenia 45 stopni (100%). Zbadaliśmy więc, co się dzieje z wiatrem nad kalenicami takich dachów. Wynik był znakomity. Kilkumiesięczne pomiary wykazały, że nad kalenicą tworzy się dysza, w której wiatr ma większą prędkość (średnio 108%) niż w otwartej przestrzeni na tej samej wysokości. 

Średnia moc użyteczna wiatraka jest proporcjonalna do średniej, długookresowej  prędkości wiatru podniesionej do potęgi ok. 2,2, więc potencjalnie może ona być nie mniejsza, lecz o ok. 20% większą niż na otwartym polu!

W konstruowaniu wiatraków produkujących prąd jednym z najtrudniejszych zagadnień jest zsynchronizowanie prądnicy z wirnikiem. Kłopot bierze się stąd, że mamy tu do czynienia z zupełnie innymi zjawiskami, mającymi inne charakterystyki: magnetyzm i przepływ płynu, jakim jest powietrze. Sprawność wiatraka i prądnicy zależą w inny sposób od prędkości wiatru i poziomu odbieranej energii.

Przeznaczeniem naszego wiatraka jest produkcja ciepła, a na tej drodze pośrednictwo energii elektrycznej jest zbędne. Młynek Joule’a pozwala na zamianę energii mechanicznej otrzymywanej z wiatraka na ciepło ze sprawnością 100% Takie urządzenie zastosował w 1845 James Joule do wyznaczenia cieplnego równoważnika pracy mechanicznej.

W efekcie zastąpienia prądnicy przez młynek Joule’a uzyskaliśmy jednorodny układ: zarówno wiatrak na dachu i młynek przetwarzający jego energię są urządzeniami opartymi na przepływie płynu. Umożliwia to pełną ich synchronizację z wykorzystaniem pełnych możliwości wiatraka niezależnie od prędkości wiatru. A to oznacza większą sprawność całości.

Wiatr napędza wirnik, którego obroty bez żadnych przekładni są przekazywane przez sztywną oś do „młynka”, gdzie energia jest zamieniana na ciepło. Młynek jest wypełniony olejem, który służy również do przeniesienia energii do centralnego zbiornika ciepła w domu. Jako pompkę, do napędu przepływu oleju wykorzystaliśmy sam „młynek Joule’a”. Zachowując bardzo dużą sprawność, cały układ stał się niesłychanie prosty, a to zwykle decyduje o ostatecznej ocenie projektu. 

 

               

Autorem koncepcji naszego wiatraka i naszym konsultantem jest dr.Tomasz Szuster z MEL PW. 

Prace nad tą ideą nie są naszym priorytetem, a to dlatego, że ilość energii jaką ma wiatr w terenach zabudowanych jest znacznie mniejsza niż możliwa do uzyskania z innych źródeł, np. ze słońca. Ale ta idea ma kilka ciekawych cech.  Po pierwsze rozkład energii wiatru w czasie jest odwrotny niż promieniowania słonecznego: najwięcej wiatru jest w zimie, a najmniej w lecie. Druga ciekawa cecha to fakt, że sprawność młynka Joule’a nie zależy od temperatury pracy. Jeśli wiatrak odbierze taką ilość energii, która  podniesie temperaturę wody w zbiorniku powiedzmy o 10 st.C, to ten przyrost temperatury będzie taki sam, gdy zbiornik ma temperaturę początkową 30 stopni i gdy ma 80 stopni. W konsekwencji taki układ jest potencjalnie znakomitym uzupełnieniem niskotemperaturowych źródeł energii.

 

Powyższy tekst powstał w maju 2013 r. Prace nad tym projektem przerwaliśmy po kilku miesiącach. Powody były dwa. Pierwszy to poważna awaria turbiny. Sprowadziliśmy ją z Chin. Pod wpływem silnego podmuchu wiatru wsporniki mocowania łopat skręciły się. Być może była to wada samego produktu polegająca na niewyważeniu łopat względem osi poziomej. Akurat tego wyważenia nie sprawdziliśmy przed  zamontowaniem turbiny.

Drugi powód jest poważniejszy, to on spowodował, że nie naprawiliśmy uszkodzonej turbiny. Otóż zorientowaliśmy się, że sama idea jest błędna. Domy, nawet stawiane na pustym polu, z czasem obrastają drzewami, a te w radykalny sposób zmniejszają potencjalnie dostępną energię wiatru. W konsekwencji, w naszej ocenie małe, przydomowe wiatraki zwykle nie mają sensu.

To niepowodzenie nie jest czymś wyjątkowym. Zdecydowana większość eksperymentów nie udaje się, ale to właśnie jest istotą uczenia się. Dlatego nie usunęliśmy powyższego tekstu, niech nasze doświadczenie służy tym, którzy myślą o wiatrakach.

Zalesie Górne X 2015