Alternatywne źródła energii - energia wiatru

Energia wiatru


Energia pod różnymi postaciami jest niezbędna do życia i rozwoju ludzkości. Miarą rozwoju cywilizacyjnego poszczególnych Państw jest ilość zużywanej energii w przeliczeniu na jednego mieszkańca. Globalne zużycie energii wciąż rośnie, zatem wobec stopniowego wyczerpywania się zasobów paliwowych tak zwanej energii konwencjonalnej. Rosnące, więc z tego tytułu koszty wytwarzania energii powodują wzrost jej ceny. Polska należy do krajów rozwijających się a stały wzrost kosztów ochrony środowiska związanych z pozyskiwaniem energii głównie ze spalania węgla kamiennego i brunatnego jest jednym z powodów wzrostu jej ceny.
Czy można, zatem zaoszczędzić na wydatkach w gospodarstwie domowym, fabryce czy szkole szukając innych możliwości pozyskania energii?

Czy istnieją jakieś źródła energii, z których można ją pozyskać za darmo albo prawie za darmo?

Oczywiście istnieją. Podstawowym źródłem energii dla naszej planety jest słońce. Przed milionami lat energia słońca docierająca do ziemi została uwięziona w węglu, ropie naftowej, gazie ziemnym itp. Dzisiaj te paliwa określane są jako konwencjonalne. Ale słońce póki, co świeci nadal i dostarcza nam energii w różnych postaciach. Ta energia pochodząca bezpośrednio od promieniowania słonecznego nazywana jest energią odnawialną. Również słońcu zawdzięczamy energię, jaką niesie ze sobą wiatr czy fale morskie.
Na następnych stronach znajdziecie opisy możliwości wykorzystania tej darmowej energii oraz urządzenia służące jej wykorzystaniu w naszym życiu codziennym.

Czym jest energia wiatru? Zapewne u wielu wywołam zdziwienie, ale jest ona pewną odmianą energii słonecznej.

Postaram się to wytłumaczyć. Wiatr powstaje pod wpływem nierównomiernego nagrzewania przez słońce różnych powierzchni na ziemi. Wynika to ze zmiennej topografii terenu oraz zabudowy powierzchni. Powietrze nad powierzchnią nagrzaną przez słońce unosi się do góry, co powoduje zasysanie chłodnego powietrza np. z nad dużej powierzchni zbiornika wody (ocean, morze, jezioro). Wytworzone różnice temperatur powodują przemieszczanie się całych mas powietrza zgodnie z naturalnymi warunkami ukształtowania powierzchni ziemi. Każdy, kto był kiedyś w górach wie dokładnie jak wiatr hula np. na przełęczy górskiej. Taka przełęcz to naturalnie ukształtowany tunel, przez który przepływają masy powietrza. Ale zapewne i typowy mieszczuch zaobserwował zjawisko silnego prądu powietrznego w tunelach ukształtowanych przez zabudowę mieszkalną, a już szczególnie, gdy są to wysokie i długie tzw. mrówkowce. W takich tunelach wiatr zwykle wieje nawet wtedy, gdy poza nimi jest bezwietrzna pogoda.

Przy powierzchni ziemi wiatr wyhamowywany jest przez nierówności terenu. Kto z nas nie kopał „grajdołka” na nadmorskiej plaży, albo nie stawiał tam parawaniku?

Tę energie wiatru człowiek postanowił wykorzystać celem ulżenia swoim mięśniom przy wykonywaniu pracy. Już starożytni Chińczycy czy Babilończycy dostrzegali możliwości zaprzęgnięcia wiatru do pracy. Tym pomysłem na przekształcenie siły wiatru w użyteczną pracę było skonstruowanie wiatraka. Pierwsze wiatraki w Holandii pojawiły się już w VIII wieku. Największy rozwój wiatraków następował w XVI i XVII wieku, a po wynalezieniu maszyny parowej nastąpił w ich rozwoju regres. Pod koniec XX wieku wobec kurczących się światowych zasobów paliw energetycznych oraz coraz większej randze nadawanej problemom ochrony środowiska następuje renesans wiatraków.
Prawdziwą potęgą w Europie w dziedzinie produkcji i wykorzystania wiatraków jest obecnie Dania. W tym kraju zainstalowanych jest obecnie ok. 4000 wiatraków, co zaspakaja ok. 10% potrzeb energetycznych tego państwa. Obecna produkcja wiatraków w Danii stanowi, co do wartości trzeci produkt eksportowy tego kraju. W USA do sieci energetycznej przyłączone jest obecnie ok. 2000 elektrowni wiatrowych, co zaspakaja ok. 1% ogólnej mocy całego systemu energetycznego tego państwa (ok.1700MW). Przewiduje się w USA, że do roku 2050 elektrownie wiatrowe pokryją 10% zapotrzebowania tego kraju na energie elektryczną.

Średnie zasoby wiatrów na całej kuli ziemskiej są ponad 1700 razy większe od energii wytwarzanej przez wszystkie istniejące elektrownie cieplne.

W Polsce największe zasoby wiatru znajdują się w Tatrach, Karkonoszach i na wybrzeżu Bałtyku. Ale nawet na obszarze Polski centralnej siła wiatru w ok.40% ma prędkość od 10km/h do 60 km/h.

Im wyżej tym wiatr jest silniejszy (wzrasta jego prędkość).
Zrozumiała, zatem jest tendencja do umieszczania wiatraków jak najwyżej. Istnieje podobno nawet pomysł umieszczenia wiatraka na wieży o wysokości 1000 m. Pomysłów w tej materii jest zresztą coraz więcej.

Ktoś rzucił hasło, aby wykorzystać wiatr indukowany przez pędzące autostrada samochody poprzez zainstalowanie na jej obrzeżach niewielkich wiatraczków.
Kolejnym pomysłem jest sprowadzenie wiatraka do poziomu ziemi wykorzystując w tym celu wentylator osiowy i odwrócenie roli tego wentylatora poprzez zamianę go w turbinę wiatrową oddającą energię do jakiejś maszyny. Zasilanie tego wentylatora miałoby następować tunelem doprowadzającym powietrze z zewnątrz.

Przelatująca nad nami energia wiatru jest mało stabilna pod względem prędkości mas powietrza. Wiatr może być tak łagodny jak i huraganowy. Wraz z wiatrem niesione są opady atmosferyczne, pyły i inne zanieczyszczenia, co ma wpływ na trwałość konstrukcji wiatraków. Postęp w zakresie technologicznym pozwala jednak na pokonywanie tych przeciwności, stąd postępujący renesans wiatraków.

Dlaczego technologia i jakość materiałów jest tak ważna?

Otóż na konstrukcję wiatraka i śmigła działają olbrzymie siły
o nierównomiernym rozkładzie sił a konserwacja i dozór tych urządzeń ze względu na duże wysokości ich zainstalowania jest niezwykle pracochłonny i co za tym idzie kosztowny. Dlatego jakość stosowanych materiałów jest tak istotna.

Moc elektrowni wiatrowej jest proporcjonalna do powierzchni śmigła omiatanej przez wiatr oraz do sześcianu prędkości wiatru. Podwojenie prędkości wiatru to ośmiokrotny wzrost mocy wiatraka. Średniej wielkości wiatrak o wysokości ok.60m i rozpiętości skrzydeł ok. 44 m pozwala wygenerować moc rzędu 660 kW, co pozwala zaopatrzyć w energię elektryczną duży zakład przemysłowy lub od 300 do 400 gospodarstw domowych. Największy pracujący obecnie na świecie wiatrak ma moc rzędu 2 MW, co pozwala zaopatrzyć w energię sporych rozmiarów miasteczko.
Elektrownie wiatrowe wymagają stosunkowo dużej powierzchni, ze względu na wielkość konstrukcji i dlatego lokowane są z dala od większych miejscowości. Elektrownia o mocy 1MW potrzebuje ok. 1 ha powierzchni ziemi. Większość wiatraków produkuje prąd już przy prędkości wiatru od 10 km/h do 18 km/h a optymalna praca występuje przy prędkości od 54 km/h do 72 km/h. Po przekroczeniu wartości maksymalnej wydajność spada a wiatrak odwraca się od wiatru, co jest wymuszone jego bezpieczeństwem.

Oprócz dużych wiatraków składających się na profesjonalne elektrownie wiatrowe istnieje całe mnóstwo rozwiązań konstrukcyjnych nadających się do wykorzystania jako generatory przydomowe. Energia produkowana przez takie małe elektrownie może być magazynowana w akumulatorach lub zbiornikach ciepłej wody, ale znacznie korzystniej jest przyłączyć takie elektrownie do lokalnej sieci energetycznej. Obowiązujące obecnie w Polsce prawo nakazuje operatorowi sieci przyjąć tę energie do jego sieci.

Czy wiatraki służą jedynie do napędzania młynów i generatorów energii elektrycznej?
Otóż nie. Kolejnym ważnym zastosowaniem jest wykorzystanie wiatraka do napędu pompy wodnej. W historii ludzkości tysiące takich pomp nawadniało lub osuszało pola pompując wodę. Rolnictwo Australii czy USA stosowało takie rozwiązania bardzo często. Ci z Was, którzy oglądali westerny zapewne widzieli takie pompy w akcji. Pompa wodna charakteryzuje się niskim kosztem eksploatacji i stosunkowo niskim kosztem początkowym. Ponieważ pompy te stosowane są od wieków, więc również mają bardzo dojrzałe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne. Szczególnie atrakcyjne kosztowo jest zastosowanie tych pomp w rolnictwie gdzie można przy ich pomocy dostarczać taniej wody użytkowej z istniejących zbiorników otwartych i oszczędzać w ten sposób drogiej wody pitnej. Światowe zasoby wody pitnej są zresztą skromne i ich oszczędzanie ze wszech miar jest wskazane. Dlatego nawet kraje wysoko rozwinięte technologicznie używają tych pomp. Pompa wiatrowa doskonale nadaje się również do oczyszczalni ścieków, która to najczęściej oddalona jest od terenów zabudowanych a więc i infrastruktury energetycznej, co znakomicie zmniejsza koszty dalekiego doprowadzania sieci energetycznych o stosownych mocach.

Czy zatem wykorzystywanie siły wiatru ma wyłącznie znaczenie dla ochrony naszego naturalnego środowiska? Myślę, że po przeczytaniu powyższego tekstu możemy śmiało powiedzieć, że istnieje również aspekt ekonomiczny skłaniający nas do korzystania z tego darmowego źródła energii.