Energia wiatru
Przede wszystkim energia wiatru należy do odnawialnych źródeł energii (obok energii geotermalnej, energii wodnej i słonecznej, itd.) .W jaki sposób powstaje energia wytwarzana z tak „ powszechnego surowca”, jakim jest wiatr? W dzisiejszych czasach do wytwarzania energii wiatrowej używa się tak zwanych turbin wiatrowych, które zgromadzony przez siebie wiatr przekształcają w energię mechaniczną, która następnie zmienia się w energię elektryczną.
Od czego zależna jest ta niewyczerpalna energia? Przede wszystkim od prędkości wiatru. To właśnie ta prędkość jest podstawowym warunkiem podczas wyboru miejsca, w którym zostanie zbudowana nowa elektrownia wiatrowa. Elektrownie wiatrowe budowane są, więc w miejscach, gdzie częstotliwość występowania silnych wiatrów jest bardzo duża.
Wiatraki, które są najczęściej wykorzystywane przy produkcji energii wiatrowej mogą pracować przy prędkościach wiatru 3 – 30 m/s (silne wiatry natomiast wahają się w granicach 7 – 20 m/s) . Aby praca danej turbiny była opłacalna, wiatr powinien wiać z prędkością przynajmniej 5 m/s.
Potencjał energetyczny, jaki istnieje do wykorzystania na Ziemi to około 40 terawatów. W jaki sposób można mniej więcej to określić? Otóż wiadomo, że około 1 – 2 % energii słonecznej, kiedy dociera na Ziemię, przekształca się w energię kinetyczną powietrza. To daje moc 2700 terawatów. Od tej liczby trzeba jednak odjąć moc wiatrów, wiejących w miejscach, gdzie nie można zbudować elektrownii wiatrowych, a więc między innymi nad morzem i na dużych wysokościach.
Elektrownia wiatrowa
elektrownia wytwarzająca energię elektryczną przy pomocy generatorów (turbin wiatrowych) napędzanych energią wiatru. Energia elektryczna uzyskana z energii wiatru jest uznawana za ekologicznie czystą, gdyż, pomijając nakłady energetyczne związane z wybudowaniem takiej elektrowni, wytworzenie energii nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa.
Rodzaje elektrowni wiatrowych
Istnieją trzy podstawowe rodzaje elektrowni wiatrowych:
Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu.
Są to najbardziej popularne rodzaje turbin. Posiadają one klasyczne łopaty, których danej turbinie może występować różna ilość, najpopularniejsze są jednak turbiny trójłopatowe. Wirniki zamontowane w tego typu turbinach mogą być różnie ustawione względem wiatru, to znaczy albo przed masztem albo za masztem w stosunku do kierunku wiania wiatru (korzystniejsze jest pierwsze rozwiązanie).
Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu.
W 1931 roku Darrieus zbudował wirnik, który posiadał zerowy moment startowy, dlatego też niezbędne było jego początkowe napędzenie. Obecnie istnieją dwie odmiany tegoż wirnika: H-Darrieus (w kształcie litery H) i EHD (wirnik Darrieus’a zmodyfikowany przez SANDIA NATIONAL LABORATORIES).
Turbina wiatrowa o osi poziomej wyposażona w dyfuzor.
Jest to tradycyjna (wyżej opisana) turbina, jednakże znajdująca się w tunelu. Dlaczego? Ano dlatego, że jeśli wirnik będzie znajdował się w tunelu (dyfuzorze) to poruszał się on będzie w powietrzu szybciej niż wiatr, który znajduje się poza danym tunelem, dzięki czemu powstanie większa ilość energii. W latach 70-tych odkryto natomiast, że jeśli w taki tuneli znajduje się szczelina to wirnik jeszcze bardziej zwiększy swoją sprawność działania.
Turbina wiatrowa
Urządzeniem, które jest niezbędne podczas budowy każdej elektrowni wiatrowej jest turbina wiatrowa, czyli urządzenie odpowiedzialne za przekształcanie energii kinetycznej wiatru w energię mechaniczną, która w konsekwencji przekształca się na energię elektryczną.
Jak działa turbina wiatrowa? Przede wszystkim należy zacząć od tego, jak każda turbina jest zbudowana. Niezbędne elementy turbiny to (od dołu): fundament, wyjście do sieci elektroenergetycznej, wieża, wejściowa drabinka, serwomechanizm kierunkowania elektrowni, gondola, generator, wiatromierz, hamulec postojowy, skrzynia przekładniowa, łopata wirnika, siłownik mechanizmu przestawiania łopat i piasta. Teraz, znając poszczególne elementy budowy turbiny, można przejść do jej działania. Najważniejszy jest wirnik, który składa się z łopat i piasty. Zadaniem wirnika jest przechwycenie energii kinetycznej wiatru i przekazanie jej do generatora, którego głównym zadaniem jest z kolei przekształcenie owej energii w energię elektryczną. (Oczywiście nieco inaczej może to wygląd przy zastosowaniu innego typu turbin.)
Przydomowe elektrownie wiatrowe
Użytkowanie przydomowej elektrowni jest całkowicie darmowe, sama inwestycja natomiast waha się w granicach od 7 do 15 tysięcy złotych (pieniądze jednak po pewnym czasie zwracają się, i to z nawiązką). Kiedy zdecydujemy się na budowę własnej elektrowni, musimy pamiętać, że energia wiatrowa nie gwarantuje stałego zaopatrzenia w energię elektryczną, ważnym warunkiem jest również stały dostęp do silnych wiatrów (inwestycja wydaje się być więc opłacalna, jeśli w pobliżu naszego domu występują wiatry co najmniej o sile 5 m/s).
Wiatraki w Polsce
Wiatrak kozłowy to pierwszy typ wiatraka, jaki występował na ziemiach polskich (około XIV wieku, Kujawy i Wielkopolska). Budowa tego wiatraku na ziemiach polskich nie zmieniła się niemal do wieku XX. Jak wygląda „koźlak”? Przede wszystkim cechą rozpoznawczą wiatraka kozłowego jest to, że zarówno budynek, jak i skrzydła obracają się wokół słupa (sztembra), natomiast z tyłu budynku znajdował się dyszel, dzięki któremu można było nastawić skrzydła wiatraka do kierunku wiatru.
Od wieku XVIII na terenach zachodniej i północnej Polski pojawił się nowy typ wiatraka pochodzący z Holandii, a mianowicie tak zwany wiatrak holenderski.
Pierwszą elektrownię wiatrową zbudował Charles F. Brush w XIX wieku. Jego firma stworzyła podwaliny dla jednego z największych dzisiaj producentów turbin wiatrowych – General Electric. Projekt Brush’a zmodernizował Poul la Cour, dzięki stworzeniu generatora elektrycznego o kilku łopatach. Energię, którą otrzymywał on z siłowni wiatrowej wykorzystał do oświetlenia swojej szkoły. Nie można nie wspomnieć również o Johannesie Juul’u, który stworzył pierwszą siłownię wiatrową z generatorem prądy przemiennego (XX wiek).
Największy rozwój energetyki wiatrowej przypada na ostatnie dwadzieścia lat.
Elektrownie wiatrowe w Polsce
W Polsce pierwszy wiatrak, którego celem było pozyskanie energii elektrycznej zbudowany został w roku 1991 przy Elektrowni Wodnej w Żarnowcu. Tak, więc ten sposób pozyskiwania energii odnawialnej w Polsce stosowany jest jak widać od niedawna (zaledwie kilkanaście lat). Dziś w tym miejscu powstała farma wiatrowa Lisewo (od 2005 roku), której łączna moc wynosi 10,8 megawata. W jej skład wchodzi czternaście nowoczesnych turbin wiatrowych, a ich moc to 600 kilowatów każda.
W 2001 roku na terenie Polski została uruchomiona pierwsza przemysłowa farma wiatrowa Barzowice. W jej skład wchodziło sześć turbin, a każda z nich miała moc 5 megawatów. Inne farmy wiatrowe działające w Polsce to między innymi: Cisowo (od 2002), Zagórze (od 2002), Tymień (od 2006), Kamieńsk (od 2007), Suwałki (od 2009).
Warto wiedzieć: Warunki wiatrowe najlepiej sprzyjające rozwojowi farm wiatrowych są w północnej części naszego kraju.
Farma wiatrowa
Zacząć należy od tego, czym właściwie jest farma wiatrowa? Sama nazwa farma, w powszechnym rozumieniu tego słowa, wiąże się raczej z wielkim gospodarstwem rolnym, które specjalizuje się w uprawie roślin lub hodowli zwierząt. Farma wiatrowa natomiast również jest wielkim terenem, jednakże nie przeznaczonym pod uprawę lub hodowlę, ale przygotowanym dla budowy turbin wiatrowych, których celem będzie pozyskiwanie energii wiatrowej.
Dzięki temu, że duża liczba turbin skupiona jest na jednym terenie, koszty ich budowy, a także utrzymania są znacznie mniejsze, a jednocześnie sama sieć elektryczna jest w znacznym stopniu uproszczona.
Warto wiedzieć, że farmy wiatrowe wcale nie muszą być zlokalizowane na lądzie, bowiem ich budowa możliwa jest również poza nim.
Największe sieci farm wiatrowych znajdują się na terenie Niemiec, Danii i Tekasau.
Najsłynniejszą farmą wiatrową w Danii jest Middelgrunden (4 km od ulicy Nyhavn, gdzie mieszkał Hans Christian Andersen), na którą składa się 20 wiatraków należących do firmy Simens i ustawionych w lekkim łuku. Wiatraki w Middelgrunden mają moc 40 megawatów i dostarczają 3 % energii dla miasta Kopenhagi.
Największą na świecie farmą wiatrową jest natomiast Roscoe w Teksasie (40,5 tysiąca hektarów). Wiatraki (należące do Simensa, Mitsubishi i General Electric) znajdujące się na tej farmie są w stanie wyprodukować 781,5 megawatów energii. Właścicielem farmy jest firma E.ON Climate and Renewables.