Wykorzystanie energii wiatru

Energia wiatru jako przejaw jednego z czterech głównych żywiołów, czyli powietrza, była wykorzystywana już od zamierzchłej przeszłości. Ludzie wykorzystywali wiatr do napędza-nia urządzeń nawadnapędza-niających, młynów, do osuszanapędza-nia polderów. Jednak dopiero odkrycie elektryczności, a właściwie stworzenie prądnicy, zapoczątkowało myśl posłużenia się ener-gią wiatru do wytwarzania prądu elektrycznego.

W starożytnym Babilonie wiatr napędzał koła wiatraków nawadniających pola uprawne. Hammurabi zaplanował użycie energii wiatru przy budowie ambitnego systemu irygacyj-nego już w XVII stuleciu przed nasza erą. Pierwsze wiatraki ( młyny wiatrowe ) postawiono w Sistan w Afganistanie w VII wieku n.e. Były to konstrukcje o osi pionowej, wyposażone w długie pionowe ramiona z prostokątnymi krawędziami. Tworzone były z 6 do 12 warstw płótna żaglowego pokrytego matą trzcinową lub materiałem. Używano ich do mielenia kuku-rydzy, zboża, trzciny cukrowej i pompowania wody. Wiatraki o osi poziomej mielące ziarno na mąkę zaczęły powstawać w Europie w okolicach 1180 roku, a w VIII wieku Holendrzy zaczęli wykorzystywać siłę wiatru do wypompowywania wody z terenów położonych poni-żej poziomu morza. Pod koniec XIX wieku podjęto próby wytworzenia prądu elektrycz-nego z wykorzystaniem energii wiatrowej, ale największe zainteresowanie nią zrodziło się w następstwie wielkiego kryzysu energetycznego w 1973 roku 2.

Najpopularniejsze wiatraki budowane w Europie to wiatraki kozłowe (ryc. 1 i 2). Kon-strukcja budynku i koła wiatrowego była drewniana, koło wiatrowe umieszczone w central-nym punkcie słupa ( zazwyczaj wzmocnionego odpowiednimi belkami z przyporami ) mogło się obracać. Koło wiatraka składało się z czterech łopat pokrytych materiałem ( południowa Europa ) lub drewnem ( pozostała część Europy ). Budynek wiatraka z kołem można było

1 Zob. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady Europy nr 2009/28/EC z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promocji wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca lub zastępująca dyrektywy nr 2001/77/EC i 2003/30/EC ( Dz. Urz. UE seria L nr 140 z 5.6.2009, wersja angielskojęzyczna, s. 16–62 ).

2 Por. http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_power

ustawiać do pracy w kierunku na wiatr, przy zbyt silnych wiatrach – poprzecznie do wiatru. Ten typ wiatraka był wykorzystywany do mielenia ziarna.

Ryc. 1. Wygląd i budowa wiatraka kozłowego Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Ko %C5 %BAlak_ %28wiatrak %29

W rejonie Morza Śródziemnego szeroko rozpowszechnione były wiatraki wieżowe zwane „holendrami”. Budynek miał kształt okrągłej wieży i był wykonany z kamienia. W konstruk-cjach oryginalnych budynek i koło nie miały możliwości obrotowego ustawiania. Dopiero w późniejszych konstrukcjach wprowadzono możliwość ustawiania koła wiatrowego w kie-runku na wiatr.

Ten typ wiatraka miał na budynku zasadniczym mały obracający się element z kołem wiatrowym zawie-rającym w swym wnętrzu tylko przekładnię i element przeniesienia napędu z koła wiatrowego. Budynek zbu-dowany był z cegły lub drewna. Ta konstrukcja pozwa-lała na zamontowanie wewnątrz większych i cięższych urządzeń niż w wiatrakach kozłowych.

W XVI i XVII wieku budowano wiatraki zwane „pal-trakami”, które były wykorzystywane w tartakach. Wia-trak tego typu posiadał cechy wspólne tak z wiaWia-trakiem kozłowym, jak i z holenderskim. Bryłą przypominał koź-laka, zaś zasadę obrotu budynku skrzydłami do kierunku wiatru zapożyczono z holendra, z tą różnicą, że płaszczy-zna obrotu płaszczy-znajdowała się tutaj nisko, jak najbliżej terenu.

Pierwsze konstrukcje wiatrowe, które miały produ-kować energię elektryczną , powstawały tuż po II woj-nie światowej w Danii, a ich twórcą był Johannes Juul. W ciągu kilku lat wybudował kilka prototypowych turbin wiatrowych z asynchronicznym generatorem prądu sta-łego. W 1956 roku pod kierownictwem Juula powstała pierwsza komercyjna instalacja wykorzystująca

specjal-Rozwój energetyki wiatrowej w Polsce na tle rozwiązań europejskich…

Ryc. 2. Paltrak

Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/ Paltrak

nie zaprojektowaną i wybudowaną turbinę Gedser 3 o mocy 200 kW. Przez wiele lat instalacja ta pozostawała największą pracującą konstrukcją na świecie, a dzięki zastosowanym w niej rozwiązaniom ustanowiła wiele standardów technologicznych wykorzystywanych do dziś w nowoczesnych konstrukcjach. Bardzo ważnym i cennym osiągnięciem tej konstrukcji jest aerodynamiczny system hamowania za pomocą skrzydeł turbiny, który jest uruchamiany automatycznie w przypadku przekroczenia dopuszczalnej siły wiatru. Turbina taka praco-wała podłączona do sieci przez ponad 11 lat 4.

W analogicznym okresie w Niemczech prof. Ulrich Hutter w krótkim czasie skonstru-ował serię prototypowych, horyzontalnych urządzeń o zmiennym ustawieniu kątów natarcia skrzydeł. To rozwiązanie pozwoliło w znacznym stopniu zmniejszyć problem przeciążeń mechanicznych, który skutecznie ograniczał możliwość budowy urządzeń o większej śred-nicy niż kilkanaście metrów. „Do końca lat siedemdziesiątych wyprodukowano blisko 200 turbin wiatrowych o średniej mocy 10–25 kW. Ich konstrukcja oparta była niemal w cało-ści na turbinie Juula. Różnica mocy wynikała jedynie z trudnocało-ści technicznych związanych z użyciem generatora 200 kW. W tym samym czasie przygotowywano również prototypowe turbiny o mocy 630 kW. Nie było jednak mowy o wykorzystaniu ich do efektywnej produkcji energii elektrycznej. Ich sprawność pozostawiała wiele do życzenia, a koszt znacznie prze-wyższał osiągane rezultaty” 5.

Duńczycy i Niemcy w odróżnieniu od Amerykanów zajęli się głównie konstruowaniem instalacji wytwarzających energię elektryczną po akceptowalnych kosztach, a więc nadają-cych się do wykorzystania komercyjnego. Niestety jednak efektywność tych urządzeń nadal była niewystarczająca. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku w Europie stosowano trójpłatowe konstrukcje o mocy od 10 do 25 kW. Te urządzenia rzeczywiście pra-cowały i były dostępne na rynku. W 1980 roku inżynierowie duńscy postanowili stworzyć turbinę wiatrową o mocy 660 kW. We współpracy z zakładami energetycznymi powstało kilka takich instalacji, ale szybko okazało się, że energia przez nie produkowana jest zupeł-nie zupeł-nieopłacalna. W związku z tym kolejne 10 lat Duńczykom zajęło ulepszazupeł-nie konstruk-cji generatora, automatyki i mechaniki. W rezultacie pojawiły się turbiny o mocy 600 kW, 800 kW, 1 MW aż po dzisiejsze z generatorami rzędu kilku megawatów.

W Polsce wiatraków używano już od XIII wieku, a pierwszą wzmiankę o nich można znaleźć w zezwoleniu na budowę wiatraka wydanym dla klasztoru w Białym Buku przez księcia Wiesława z Rugii w 1271 roku. Kolejne dokumenty wydane przez wielkiego mistrza krzyżackiego w 1377 roku dotyczą zgody na budowę dwóch młynów wiatrowych w okolicy Chojnic. W XVIII wieku na terenie Polski pracowało już ok. 20 tysięcy młynów wiatrowych, które znajdowały się głównie na ziemiach północno-zachodnich i południowo-zachodnich obszaru dzisiejszej Polski.

Po II wojnie światowej socjalistyczna koncepcja rozwoju nowoczesnego państwa pol-skiego nie przewidywała miejsca dla urządzeń wykorzystujących energię wiatru. Dopiero w 1991 roku zaczęły powstawać instalacje wiatrowe dla potrzeb produkcji energii elektrycz-nej 6. Dlatego m.in. nasycenie elektrowniami wiatrowymi w Polsce należy do najniższych

3 Gedser to nazwa duńskiego wybrzeża, na którym Juul zainstalował swoją turbinę – przyp. autora.

4 Por. W. G ł o ć k o, Energetyka wiatrowa rozwijała się najdynamiczniej i już wkrótce technologia

osiągnie kres możliwości, http://www.gigawat.net.pl/article/articleview/106/1/10/ 5 Zob. W. Głoćko, op. cit.

6 Por. http://energiaiwiatr.w.interia.pl/historia_polska.htm

w Europie – moc zainstalowana w energetyce wiatrowej na mieszkańca to zaledwie 3,7 W, a w przeliczeniu na 1 km2 obszaru lądowego przypada tylko 450 W 7.