Energia wiatru - krótka historia rozwoju

              Wykorzystanie siły wiatru, czyli jego energii kinetycznej, było drugim wynalazkiem energetycznym ludzkości, po konstrukcji prostych maszyn, takich jak łuk i koło jezdne. Napęd żaglowy, znany naszej cywilizacji od 5,5 tysiąca lat, jest stosowany z powodzeniem do dnia dzisiejszego. Na tej samej zasadzie, między wiekiem VI i X został zbudowany w Persji młyn wiatrowy, w którym kilka żagli rejowych zamocowano

na pionowych masztach wokół wspólnej osi obrotu. Siła wiatru wprawiała w ruch obrotowy wał, który mógł wykonywać określoną pracę.

                 W pierwszym zastosowaniu pionowy wał obracał kamień młyński mielący ziarna zbóż. Następnym zastosowaniem wynalazku było napędzanie pomp wodnych. W niektórych przekazach młyny wiatrowe i zaprzęgnięcie wiatru do pompowania wody miały być wynalezione w Chinach około 2000 lat temu, jednak pierwsza udokumentowana chińska konstrukcja pochodzi dopiero z XIII wieku. W Europie pierwszy wiatrak został zbudowany na początku XII wieku we Francji. W wiatrakach europejskich zastosowano, odmiennie niż w perskich, wał poziomy obracany przez...

skrzydła pracujące w płaszczyźnie pionowej.

               Zmiana konstrukcyjna mogła wynikać z przystosowania napędu wiatrowego do budowy używanych już w Europie młynów wodnych, w których wał obracający kamień był także poziomy. Wydaje się jednak, że przesłanką ważniejszą była większa sprawność skrzydeł obracających się w płaszczyźnie pionowej, bowiem w konstrukcjach perskich prawie połowa siły wiatru była tracona. Wraz z zastosowaniem pionowego położenia wirnika powstał problem ustawiania go prostopadle do kierunku wiatru. Początkowo obrót całej konstrukcji wiatraka, wraz z jego zabudową, był wykonywany ręcznie, później wprowadzono usprawnienie polegające na

niezależnym obrocie

głowicy wiatraka wraz z wirnikiem, a następnie pozycjonowanie jej przez skrzydło czyli ster pod naporem wiatru samoczynnie ustawiający śmigło we właściwym kierunku. W Polsce pierwszą najpopularniejszą konstrukcją był koźlak (ang. post mill), osadzony na drewnianym czopie (koźle) wokól którego mógł być ręcznie obracany. Później powstały “paltraki” również obracane, ale na rolkach umieszczonych w fundamencie konstrukcji. Młyny wiatrowe najszybciej rozwijały się w Holandii, zwłaszcza w napędzaniu pomp melioracyjnych. W ten oto sposób została ustalona modelowa budowa młyna i jego główne zastosowania: mielenie ziarna i pompowanie wody.

W XIX wieku wiatraki o właściwie identycznej konstrukcji używane były do podobnych celów, a także do szeregu innych zadań jak rozdrabnianie różnych produktów lu plecenie lin. W Stanach Zjednoczonych kilka milionów wiatraków o stalowych skrzydłach pompowało wodę, również do tendrów lokomotyw. Pod sam koniec XIX wieku, “wieku pary i elektryczności”...

wiatraki zastosowano do produkcji energii elektrycznej.

                 Jednym z pierwszych był wiatrak zbudowany w 1888 roku w mieście Cleveland w Ohio. Średnica jego wirnika wynosiła 17 metrów. Zastosowano w nim przekładnię 50:1 aby uzyskać odpowiednią do napędzania generatora elektrycznego prędkość. Moc generatora wynosiła 12 kW. W kolejnych dziesięcioleciach wprowadzono wiele usprawnień do urządzeń, które śmiało można nazwać protoplastami współczesnych elektrowni wiatrowych. Jednym z najistotniejszych momentów w ich rozwoju było najpierw wykorzystanie konstrukcji wirnika w napędzie lotniczym, a następnie wykorzystywanie doświadczeń lotnictwa, głownie w doskonaleniu aerodynamiki płatów wirnika w konstrukcjach młynów. Podczas I wojny światowej i w latach dwudziestych małe turbiny o mocach od 1 do 3 kW stały się jednym z powszechnie stosowanych źródeł energii elektrycznej na rolniczych farmach w USA.

Na początku lat trzydziestych XX wieku...

                  ...znaczącym wynalazkiem stała się turbina opatentowana przez Georges'a Darrieusa posiadająca pionową oś obrotu i wyposażona w dwa lub trzy skrzydła, a właściwie łopaty, wygięte w kształt litery C lub łopaty proste równoległe do osi obrotu. Nieco wcześniej fiński inżynier Sigurd Savonikusen (Savonius) otrzymał amerykańskie patenty na wirnik poruszany przepływem wody lub wiatrem (1929) oraz silnik wiatrowy (1930). Zasada działania obu wynalazków oparta jest na obrocie wokół pionowej osi dwóch skrzydeł o kształcie przesuniętych względem siebie półwalców, tworzących w przekroju poziomym kształt przypominający literę S (powstały też wersje trój-skrzydłowe). Okazało się, że wynalazki Darrieusa i Savoniusa nawzajem się uzupełniają. Turbina Darrieusa, aby ruszyć musi mieć odpowiednią prędkość wiatru, i może być uruchomiona przez urządzenie Savoniusa zainstalowane na wspólnej osi. Tak powstał używany obecnie kombinowany generator Savoniusa - Darrieusa.     

Podczas II wojny światowej...

                   ...z powodu oczywistych trudności z paliwami próbowano budować turbiny wiatrowe o wielkiej mocy. Megalomańskim przedsięwzięciem okazała się turbina skonstruowana w 1941 roku w stanie Vermont. Stalowy wirnik turbiny, o wadze 16 ton, miał średnicę prawie 60 metrów. Moc urządzenia wynosiła 1,25 MW. Po kilkuset godzinach pracy, na skutek wady materiałowej jednego ze skrzydeł, nastąpiła katastrofa. Był to sygnał dla rewizji kierunku rozwoju turbin wiatrowych. Technologie materiałowe nie nadążały za ambicjami konstruktorów.  W okresie powojennym energetyka wiatrowa zdecydowanie przegrywała w konkurencji z konwencjonalną. Silniki spalinowe z powodzeniem zastępowały generatory wiatrowe w większości zastosowań. Okres rozwoju technologii wykorzystywania wiatru w energetyce kończący się w połowie  XX wieku zamknąć można cytatem z hasła zamieszczonego w encyklopedii „Przyroda i technika” w roku 1963: „Silniki wietrzne mają obecnie tylko niewielkie znaczenie, gdyż mała ich moc (do 30 KM), przy ogromnych konstrukcjach śmigieł, czyni je mało praktycznymi.

14/03/10 KS

c.d.n.

Na zdjęciach: współczesna wersja perskiej turbiny żaglowej (Wikimedia Commons), wiatrak w Obercunnersdorf (Deutsche Fotothek)

Konstrukcje turbin wiatrowych dzielą się na dwa zasadnicze typy: z poziomą lub z pionową osią obrotu. Turbiny z poziomą osią obrotu stanowią 95% obecnie używanych urządzeń. Większość z pozostałych 5% to turbiny dwóch podstawowych rodzajów: w/g wynalazku Georges’a Darrieus’a oraz Sigurda Savonikusena (zwanego Savoniusem).

Jednym z podstawowych parametrów opisujących pracę turbiny wiatrowej jest współczynnik TSR (ang. tip speed ratio) będący stosunkiem prędkości końca płata wirnika do prędkości wiatru. Turbiny śmigłowe posiadają TSR w przedziale 3 -7 oraz sprawność rzędu 40 - 45%, podczas gdy turbina Savoniusa posiada TSR<2, a jej maksymalna sprawność  to nieco ponad 30%.

40 TW - to możliwy do wykorzystania przez człowieka potencjał energii wiatrowej

159,2 GW - to moc zainstalowana turbin wiatrowych na świecie, prawie połowa z niej (74,8 GW) przypada na Unię Europejską 

340 TWh - to produkcja światowa energii uzyskiwanej z wiatru

2% - to udział energii wiatrowej w globalnej konsumpcji energii

Po spirali... do sukcesu!

Krajobraz z wiatrakami, czyli farma wiatrowa, dla jednych jest synonimem piękna i nowoczesności, dla innych miejscem straszącym brzydotą, wytwarzającym nieznośny hałas i wręcz zabójczym dla ptactwa. Jednak, niezależnie od wszystkich negatywnych opinii, z wykorzystania energii wiatrowej zrezygnować nie możemy.

Tu należy postawić zasadnicze pytanie: jaka jest istota wad elektrowni wiatrowych. Wadą są niewątpliwie gabaryty wirników turbin. W rozwiązaniu pochodzącym w prostej linii od skrzydeł młyńskich wiatraków, udoskonalonych dzięki osiągnięciom aerodynamiki, średnice te zwykle oscylują w w granicach pięćdziesięciu metrów,  porównywalną z wysokością 12. piętrowego budynku (największa zainstalowa

na w Emden w Niemczech ma średnicę 126 m). Aby farma mogła wytwarzać moc np. 100 MW, trzeba uruchomić około 100 turbin (przy prędkości wiatru ok. 5 m/s), co z kolei równa się budowie osiedla złożonego ze 100 „budynków”, zajmującego ogromną powierzchnię. W zamian otrzymamy moc niedużego konwencjonalnego bloku energetycznego, w dodatku obarczonego niedoskonałościami wynikającymi m.in. z nierównomierności pracy. Czy wobec tego nie należy...

zastanowić się nad konstrukcją wirnika? 

          Nihil novi sub sole, czyli nic nowego pod słońcem - ten zwrot, pochodzący ze Starego Testamentu, ma tu swoje uzasadnienie. Już w X wieku, a może nieco wcześniej, Persowie zbudowali pierwszy młyn wiatrowy, który miał pionową oś obrotu. W latach trzydziestych XX wieku Francuz Georges Darrieus zbudował turbinę o niekonwencjonalnych łopatach w niczym nie przypominających klasycznego wirnika. w tym samym czasie Fin Sigurd Savonikusen (Savonius) opatentował silnik wiatrowy, w którym dwa lub trzy skrzydła o przekrojach w kształcie półwalców obracały się również wokół pionowej osi. Po wielu modyfikacjach turbiny Savoniusa produkowane są do dnia dzisiejszego. Oczywiście każdy z wynalazków ma swoje wady i zalety. Największą sprawność posiadają turbiny z wirnikiem śmigłowym, stąd ich powszechność użytkowania w energetyce zawodowej. Z kolei wirnik Savoniusa osiąga tylko połowę sprawności wirników śmigłowych, ale posiada wiele zalet użytkowych umożliwiających jego powszechne zastosowania, również w instalacjach domowych. Szczególy w dziale ENERGIA WIATROWA.   

          Obecnie niewątpliwym sukcesem na drodze doskonalenia wirnika turbiny wiatrowej stał się wynalazek, jakiego dokonał amerykański naukowiec Bill Becker z Uniwersytetu w Illinois. Jest on twórcą urządzenia nazwanego „podwójnie spiralną turbiną wiatrową” (ang. double-helix wind turbine) lub aeroturbiną,

w której konwencjonalny wiatrak zastępuje spiralnie zwinięta powierzchnia przejmująca napór wiatru (ilustracja obok). Aeroturbina Beckeraiusa, podobnie jak Savoniusa, nie posiada wad „młyńskiego” wiatraka, nie powoduje hałasu, nie stanowi zagrożenia dla ptaków, wreszcie może być instalowana na dachach budynków, bowiem spiralne skrzydło ma stosunkowo niewielką średnicę i może pracować również w pozycji poziomej. Poza tym, turbina Beckera nie jest wrażliwa na nawet gwałtowne zmiany kierunku wiatru oraz silne opady atmosferyczne. Zaletą wynalazku, szczególnie w warunkach jakie panują na przeważających obszarach naszego kraju, jest minimalna prędkość wiatru konieczna do uruchomienia turbiny, czyli 6 mph (około 2,7 m/s). W warunkach „miasta wiatrów” jak nazywane jest popularnie Chicago, turbiny sprawują się wyjątkowo dobrze. A...

co słychać u nas ?     

           Dzieło Beckera jest klasycznym wynikiem wynalazczego myślenia, a właściwie twórczego rozwinięcia osiągnięć poprzedników. Jeżeli doskonalenie klasycznego wiatraka staje się coraz trudniejsze, to trzeba go zastąpić czymś zupełnie nowym. Podobną drogą poszedł profesor Włodzimierz Chomczyk budując również niekonwencjonalne urządzenie do wykorzystania energii wiatrowej. Niestety ze względu na procedury ochrony patentowej będziemy mogli przedstawić je dopiero za jakiś czas. Na razie informujemy tylko, że zasada wynalazku może być zastosowana również do małych urządzeń, przeznaczonych do indywidualnego użytku.

            Wiatrak nie jest jedyną konstrukcją zdolną do odbioru energii kinetycznej wiatru, udowodniono to już wiele razy. Przełamywanie stereotypów nie jest łatwe, ale nadal ma wielką przyszłość i to po obu stronach oceanu.

k.sukiennik@doen.pl 13/03/10

ilustracje pochodzą z www.metaefficient.com oraz www.brainless.com

DOEN   INFORMACJE   ENERGIA ELEKTRYCZNA   ENERGIA WIATROWA   INNOWACJE   iNNOWACJE2   RAPORTY   NA MARGINESIE  METEO  ARCHIWUM  KONTAKT