Niekonwencjonalne źródła energii

Uniwersytet Mikołaja Kopernika

Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej

Justyna Jarzyna

KorzyĞci i zagroĪenia wynikające z uĪycia niekonwencjonalnych Ĩródeł energii

Praca licencjacka wykonana w Zakładzie Dydaktyki Fizyki

opiekun: dr Grzegorz OsiĔski

Spis treĞci

1.WstĊp………...………3

2. Konwencjonalne Ĩródła energii i efekt cieplarniany………..……….…...5

3. Niekonwencjonalne Ĩródła energii –wprowadzenie……….10

4. Energia wiatru……….11

4.1. Budowa urządzeĔ wykorzystujących energiĊ wiatru...………..12

4.2. Warunki wiatrowe w Polsce i ich wykorzystanie………...………...….14

4.3. ZaleĪnoĞci opisujące energiĊ wiatru……...………16

4.4.Zalety i wady urządzeĔ……… ……...…….18

5. Energia ziemi………...……….20

6. Energia biomasy………..……….…22

6.1. Rodzaje i sposoby pozyskiwania biomasy……….23

7. Energia wody………...………...…..25

7.1. Zasoby wodne Polski i rodzaje urządzeĔ wykorzystujących energiĊ wody………..26

8. Energia słoĔca………...………….……..28

8.1. Nasłonecznienie Polski………...……….………..29

8.2. Urządzenia wykorzystujące energiĊ słoneczną-kolektory słoneczne...………...31

8.3. Rodzaje kolektorów……….… ....33

8.4. Porównanie kolektorów…………...………..….36

8.5. Rodzaje instalacji solarnych………...………....…37

8.6. MontaĪ kolektorów………...………..……42

8.7. Sposoby zabezpieczenia przed wyładowaniami atmosferycznymi…...……….44

8.8. Podstawy teoretyczne kolektorów słonecznych………..…...45

8.9. Bakteria legionelli……….………….…….48

8.10. Baterie słoneczne………...……….…………..…50

8.11. Zjawisko fotoelektryczne…...……….………..52

8.12. Mechanika efektu fotowoltaicznego...……….……….…57

8.13. Rodzaje ogniw i ich zastosowanie………..……..59 8.14. Ogniwa wodorowe……….…...………62 9. Podsumowanie………...………...………..……..64 9.1. Załącznik

Projekt instalacji wraz z kolektorami słonecznymi znajdującymi siĊ w Toruniu na Skarpie

10. Literatura………..……….69

1. WstĊp

Rys.1. Rodzaje energii

Zapotrzebowanie na energiĊ w społeczeĔstwie jest olbrzymie. Trudno w dzisiejszych czasach wyobraziü sobie Īycie bez uĪytkowania energii elektrycznej. Energia pod róĪnego rodzaju postacią (Rys.1) była i jest niezbĊdna do rozwoju i Īycia człowieka. Miara rozwoju poszczególnych PaĔstw jest iloĞü zuĪywanej energii w przeliczeniu na mieszkaĔca [2].

ZuĪycie energii wciąĪ wzrasta a przyczyną tego jest : -przyrost ludnoĞci,

-rozwój techniki

-zmiany w strukturze gospodarczej (rozwój cywilizacji) [7].

W dobie tak daleko posuniĊtego rozwoju techniki, gdzie wszystkie urządzenia napĊdzane są przy pomocy energii elektrycznej, a sama energia elektryczna stanowi główną gałąĨ gospodarki kaĪdego kraju - musimy odszukaü nowych jej Ĩródeł. Aby nie dopuĞciü do sytuacji w której by nam jej zabrakło, gdyĪ spowodowałoby to tragiczne skutki dla nas i dla naszego otoczenia. Z powodu braku surowców, które umoĪliwiają wyprodukowanie energii w konwencjonalny sposób i ze wzglĊdu na niedostateczny rozwój niekonwencjonalnych metod jej pozyskiwania nastąpiłoby załamanie w dziedzinie produkcji-handlu – co spowodowałoby kryzys w gospodarce, który miałby tragiczne skutki, szczególnie dla paĔstw które są wysoko uprzemysłowione.

EnergiĊ, którą my wykorzystujemy pozyskujemy głównie ze spalania konwencjonalnych i nieodnawialnych Ĩródeł energii. W ten sposób wzrastają koszty wytwarzania energii, które powodują wzrost jej ceny [2].

Zaletami tego rodzaju Ĩródeł energii jest duĪa gĊstoĞü mocy skumulowanej w jednostce masy lub objĊtoĞci, opanowana technologia. Jednak stosowanie Ĩródeł konwencjonalnych do produkcji energii niesie za sobą o wiele wiĊcej negatywnych

skutków takich jak:

-skaĪenie powietrza produktami spalin,

-groĨba globalnego skaĪenia Ğrodowiska w przypadku gdy nastąpi awaria -problem z utylizacja produktów stanowiących odpady (radioaktywne) -dewastacja terenów przez odwierty, kopalnie, magazynowanie -wyczerpanie konwencjonalnych Ĩródeł energii [8].

2. Konwencjonalne Ĩródła energii i efekt cieplarniany

Dotychczasowe konwencjonalne Ĩródła energii, które stosowane są najczĊĞciej są to Ĩródła, które wystarczą na ok. 300lat, dlatego warto juĪ teraz wykorzystaü Ĩródła energii, z których bĊdziemy mogli korzystaü, przez co najmniej milion lat. Do tych konwencjonalnych Ĩródeł, z których otrzymujemy energiĊ elektryczną naleĪą:

- wĊgiel kamienny – skała osadowa pochodzenia organicznego, powstała z drzewiastych paprotników, wydobywany w Europie od XVII wieku, choü jako Ĩródło ciepła znany był juĪ w czasach prehistorycznych,

- wĊgiel brunatny – powstał w ten sam sposób jak wĊgiel kamienny, ale zabrakło czasu do zakoĔczenia karbonizacji – stąd słaba wartoĞü energetyczna ( zawiera duĪo wody), jest uĪywany bezpoĞrednio w kompleksach wydobywczo-energetycznych, natomiast jego transport jest nieopłacalny,

- ropa naftowa – wystĊpuje w tzw. pułapkach naftowych, które powstały w wyniku fałdowaĔ alpejskich,

- gaz ziemny – „czapa” gazowa ropy naftowej, równieĪ moĪe wystĊpowaü samodzielnie,

Rys. 2. Procesy zachodzące w szklarni

Spalenie tych konwencjonalnych Ĩródeł dla uzyskania energii cieplnej, elektrycznej, mechanicznej, niesie za sobą powstawaniem dwutlenku wĊgla jest to zagroĪeniem, które przyczyną ocieplenie klimatu Ziemi [1]. Ocieplenie to jest prawdopodobnie spowodowane rozwojem przemysłu i motoryzacji. PodwyĪszenie temperatury jest prawie nieodczuwalne przez człowieka, ale wpływ ocieplenia na planetĊ moĪe spowodowaü katastroficzne skutki, takie jak susze, katastrofalne powodzie, huraganowe wiatry i poĪary. ZauwaĪalne zmiany mogą dotyczyü równieĪ Ğwiata roĞlin i zwierząt. Przyczyną wzrostu temperatury Ziemi jest nadmierne nagromadzenie w atmosferze pary wodnej, dwutlenku wĊgla, tlenku azotu, dwutlenku siarki i metanu. WiĊksza iloĞci tych gazów dostają siĊ do atmosfery równieĪ w wyniku procesów naturalnych. Jednak głównie człowiek odpowiada za wzrost koncentracji tych związków w atmosferze. Nagromadzone w atmosferze gazy i ich oddziaływanie na bilans cieplny Ziemi moĪna porównaü do procesów zachodzących w szklarni (rys.2).

SłoĔce jest bardzo gorące i duĪe. Wysoka temperatura słoĔca powoduje, Īe emitowana przez nie energia posiada bardzo małą długoĞü fali (wiĊkszoĞü znajduje siĊ w zakresie pasma widzialnego), w wyniku czego posiada bardzo wysoką czĊstotliwoĞü, gdyĪ

emitowane jest przez ciało doskonale czarne (słoĔce) w temperaturze ok. 6000°K.

Ta czĊstotliwoĞü umoĪliwia energii słonecznej łatwe przenikanie do wnĊtrza "globalnej szklarni". CzĊĞü tej energii zostaje odbita od powierzchni Ziemi w niezmienionym stanie- energia przenikająca szybĊ na zewnątrz. Jest to tylko czĊĞü całkowitej energii wprowadzonej do wewnątrz. PochłoniĊte przez glebĊ ciepło, ogrzewa jej powierzchniĊ, co prowadzi do wtórnej emisji energii przez glebĊ. Powierzchnia Ziemi emituje nabytą energiĊ w postaci fal o wiĊkszej długoĞci czyli w postaci promieniowania podczerwonego. Jak nietrudno siĊ domyĞliü, powierzchnia Ziemi jest znacznie chłodniejsza od słoĔca, toteĪ jej promieniowanie ma znacznie mniejszą czĊstotliwoĞü i zdolnoĞü przenikania. Dlatego teĪ znakomita wiĊkszoĞü tego promieniowania zostaje odbita od szyby, a tylko bardzo niewielkiej czĊĞci udaje siĊ przez nią przedostaü [22].

Stosunek iloĞci promieniowania odbitego do iloĞci promieniowania padającego na daną powierzchniĊ okreĞla siĊ mianem albedo. WartoĞü albedo zaleĪy od charakteru powierzchni - szczególnie duĪym albedo charakteryzuje siĊ pokrywa i górna powierzchnia chmur.

Dlatego im mniejsze stają siĊ obszary pokryte wiecznym Ğniegiem, tym mniejsza czĊĞü promieniowania ulega odbiciu i tym szybciej roĞnie temperatura na Ziemi

Jednym z najwaĪniejszych gazów wystĊpujących w atmosferze i odpowiedzialnym za ocieplenie klimatu jest CO2.

Dwutlenek wĊgla jest naturalnym składnikiem atmosfery powstającym w procesach oddychania, gnicia i spalania. Gaz ten wchłaniają roĞliny w procesie asymilacji, w którym z wody i dwutlenku wĊgla pod wpływem Ğwiatła słonecznego powstaje materia organiczna.

Uzupełnieniem tego procesu jest oddychanie, w którym z materii organicznej i tlenu powstaje energia, woda i dwutlenek wĊgla wydalony do atmosfery. W ten sposób roĞliny biorą udział w regulowaniu iloĞci CO2 w atmosferze. Wahania iloĞci dwutlenku wĊgla w warstwie przyziemnej są czĊsto związane z metabolizmem roĞlin. W dzieĔ jest go mniej niĪ w nocy w związku z intensywną asymilacją, wiĊcej w pochmurny dzieĔ i zimą, kiedy do Ziemi dociera mniej Ğwiatła, a procesy asymilacyjne ulegają spowolnieniu. Dwutlenek wĊgla magazynowany jest przez wody mórz i oceanów. MiĊdzy atmosferą i oceanami zachodzi wymiana CO2, dziĊki czemu stosunek iloĞci tego gazu w powietrzu i wodzie jest stały. Rola mórz i oceanów polega równieĪ na tym, Īe są one Ğrodowiskiem Īycia fitoplanktonu. Posiada on zdolnoĞü do asymilacji dwutlenku wĊgla, jak roĞliny lądowe.

Przyczyną wzrostu stĊĪenia dwutlenku wĊgla jest człowiek. W wielkich miastach przemysłowych iloĞü dwutlenku wĊgla osiąga nawet do 0,05-0,07%

(Ğrednie zanieczyszczenie CO₂ w atmosferze wynosi 0,03%), głównie gdy jest pochmurno.

Dwutlenek wĊgla jest ubocznym produktem spalania drewna i paliw kopalnych.

UzaleĪnienie naszej cywilizacji od tych paliw jako głównego Ĩródła energii w połączeniu z eksplozją demograficzną spowodowały, Īe wzrosła iloĞü dwutlenku wĊgla

emitowanego do atmosfery. Ogromne iloĞci tego gazu powstaje na skutek wypalania lasów.

Efektem spalania paliw kopalnianych jest równieĪ emisja dwutlenku siarki. Obecne silniki samochodowe wytwarzają tlenek azotu. Metan (CH4) powstaje w procesie beztlenowej fermentacji celulozy pod wpływem bakterii metanowych. Bakterie Īyją na podmokłych

glebach, zamulonych dnach zbiorników wodnych, bagnach, Ğciekach komunalnych i w przewodach pokarmowych przeĪuwaczy oraz termitów. CzĊĞü metanu uwiĊziona jest w regionach polarnych w wiecznej zmarzlinie (stale zamarzniĊta warstwa gruntu). W miarĊ

ocieplenia klimatu metan jest uwalniany do atmosfery. Istotnym Ĩródłem metanu w atmosferze są równieĪ procesy zachodzące w przewodach pokarmowych zwierząt

domowych. Szacuje siĊ, Īe w ciągu ostatnich stu lat iloĞü metanu w atmosferze podwoiła siĊ.

Freony to gazy stosowane jako noĞne w opakowaniach aerozolowych oraz w chłodziarkach.

Po zuĪyciu opakowaĔ, te bardzo trwałe gazy przedostają siĊ do atmosfery i gromadzą w stratosferze na wysokoĞci 20-25km. Tu powodują rozbijanie zbudowanych z trzech

atomów tlenu cząsteczek ozonu. W ten sposób niszczona warstwa ozonowa przepuszcza do powierzchni Ziemi wiĊcej promieniowania ultrafioletowego, co teĪ przyczynia siĊ

do globalnego ocieplenia klimatu [23].

Zamieszczony poniĪej wykres (rys.3) ukazuj iloĞü powstałych gazów takich jak:

• dwutlenek wĊgla,

• tlenki azotu,

• metan,

• freony,

Rys. 3. IloĞü powstałych gazów

Jednak i tak stosujemy te konwencjonalne Ĩródła energii, które powodują znaczne zmiany naszego klimatu a takĪe zagroĪenie wyczerpaniem tych nieodnawialnych zasobów surowców energetycznych. PoniĪszy wykres (Rys. 4.) przedstawia Ĩródła energii konwencjonalnej i niekonwencjonalnej oraz ich wykorzystanie

Rys. 4.ħródła energii konwencjonalnej i niekonwencjonalnej

Na wykresie widoczne jest Īe ludzie chĊtniej korzystają z konwencjonalnych Ĩródeł energii a przecieĪ te Ĩródła nie bĊdą wieczne.

3. Niekonwencjonalne Ĩródła energii -wprowadzenie

W przeciwieĔstwie do konwencjonalnych Ĩródeł energii takich jak wĊgiel ropa gaz ziemny, których zasoby cały czas ulegają zmniejszeniu, niekonwencjonalne Ĩródła energii utrzymują siĊ na stałym poziomie tak długo jak długo bĊdzie trwał Układ Słoneczny wraz z Ziemią ich stan nie ulegnie wyczerpaniu.

Aby zapobiec negatywnym czynnikom poszukuje siĊ alternatywnych Ĩródeł energii - atomowej,

- słonecznej, - siły wiatru,

- wykorzystywania zjawisk geotermicznych,

- odpadów roĞlinnych, zwierzĊcych, przemysłowych

A takĪe poszukiwanie bardziej racjonalnego wykorzystywania tradycyjnych Ĩródeł ( ropa, gaz, wĊgiel), wprowadzania mniej energochłonnych sposobów produkcji [1].

Niekonwencjonalne Ĩródła energii są to Ĩródła proekologiczne , są związane nierozerwalnie z naturalnymi procesami przyrodniczymi wywołanymi aktywnoĞcią SłoĔca, KsiĊĪyca, Ziemi [8].

Niekonwencjonalne Ĩródła energii elektrycznej moĪna rozdzieliü na Ĩródła odnawialne i nieodnawialne. ħródłami odnawialnymi są: energia wiatru, energia słoneczna, energia wód, energia cieplna oceanów, energia biomasy, natomiast do Ĩródeł nieodnawialnych naleĪą: wodór, energia magneto-hydro- dynamiczna oraz ogniwa palne. EnergiĊ gejzerów, czyli energiĊ geotermiczną moĪna zaliczyü do odnawialnych jak i do nieodnawialnych Ĩródeł. Wykorzystanie prawie wszystkich tych niekonwencjonalnych Ĩródeł energii elektrycznej jest związane z tym, Īe nie powodujemy negatywnego wpływu na Ğrodowisko [7]. W kolejnych rozdziałach przedstawione są rodzaje tych niekonwencjonalnych Ĩródeł energii, urządzenia które wykorzystują tą energiĊ .warto jest siĊ szczególnie zastanowiü nad tymi Ĩródłami energii poniewaĪ uzyskana energia jest ,,ekologicznie czysta"

4. Energia wiatru

Rys. 5. Turbiny wiatrowe

Energia wiatru –siłownie wiatru, turbiny wiatrowe (Rys.5.), jest to energia ( siła wiatru), która moĪe byü przetwarzana na energiĊ elektryczną w siłowniach, które przekazują prąd do sieci elektroenergetycznej lub pracujących indywidualnie .Energia wiatru moĪe byü wykorzystywana do pompowania wody konsumpcyjnej, oĞwietlania pomieszczeĔ, nawadniania pól,(zraszacze upraw) w rekultywacji i natlenianiu zbiorników wodnych, w telekomunikacji [7]. Wiatr jest przyczyną nierównomiernego nagrzania przez słoĔce róĪnych powierzchni na ziemi. Powodem tego jest zmienna topografia terenu oraz zabudowy jej powierzchni.

Powietrze znajdujące siĊ nad powierzchnią, która jest nagrzana przez słoĔce unosi siĊ do góry, co jest przyczyną zasysania chłodnego powietrza np. z nad duĪej powierzchni zbiornika wody (morze, jezioro, ocean,). Powstałe w ten sposób róĪnice temperatur powodują przemieszczanie siĊ mas powietrza zgodnie z naturalnymi warunkami ukształtowania powierzchni ziemi. Przy powierzchni ziemi wiatr jest hamowany przez wystĊpujące nierównoĞci terenu [2].

EnergiĊ wiatru człowiek postanowił wykorzystaü od wielu lat, juĪ staroĪytni BabiloĔczycy czy ChiĔczycy dostrzegli moĪliwoĞü wykorzystania energii wiatru do pracy. Pomysłem na wykorzystanie tej energii było skonstruowanie wiatraka. Pierwsze wiatraki pojawiły siĊ

w Holandii juĪ w VIII wieku. Rozwój ich budowy nastĊpował w XVI i XVII wieku. Pod koniec XX wieku wobec kurczących siĊ Ğwiatowych zasobów paliw energetycznych oraz coraz wiĊkszej randze nadawanej problemom ochrony Ğrodowiska nastĊpuje renesans wiatraków [2]. WaĪne jest to, Īe energia elektryczna uzyskiwana z wiatru jest ekologicznie czysta gdyĪ jej wytwarzanie nie pociąga za sobą spalania Īadnych paliw. W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe są to ustawione koło siebie turbiny wiatrowe [9].

4.1. Budowa urządzeĔ wykorzystujących energiĊ wiatru

PoniĪszy rysunek(Rys.6.) ilustruje budowĊ siłowni wiatrowej :

Rys. 6. Siłownia wiatrowa

Kolejny rysunek (Rys. 7.) ukazuje budowĊ elektrowni wiatrowej:

Rys. 7. Elektrownia wiatrowa

1-kontroler,

2-siłownik mechanizmu przestawiania łopat, 3-główny wał ,

4-chłodnica oleju,

5-skrzynia przekładniowa,

6-wieloprocesorowy układ sterowania, 7-hamulec postojowy,

8-dĮwig dla obsługi,9- transformator, 10-piasta łopaty,

11- łoİysko łopaty, 12-łopata, 13- układ hamowania wirnika, 14-układ hydrauliczny,

15-tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika, 16- pierĞcieĔ układu kierunkowania, 17-fundament, 18-koła zĊbate układu kierunkowania, 19-generator, 20-chłodnica generatora powłok przymocowanych do belki noĞnej [31].

Moc takiej elektrowni wiatrowej jest proporcjonalna do powierzchni Ğmigła omiatanej przez wiatr oraz do szeĞcianu prĊdkoĞci wiatru. Podwojenie prĊdkoĞci wiatru to oĞmiokrotny wzrost mocy wiatraka. Wiatrak Ğredniej wielkoĞci o wysokoĞci ok.60m i rozpiĊtoĞci Ğmigła ok.44m pozwala na uzyskanie mocy ok.660kW. Taka moc pozwala na zaopatrzenie w energiĊ duĪego zakładu przemysłowego lub 300-400 gospodarstw domowych [9]. Elektrownie wiatrowe wymagają duĪej powierzchni terenu ze wzglĊdu na wielkoĞü konstrukcji.

4.2. Warunki wiatrowe w Polsce i ich wykorzystanie

Zanim jednak przejdzie siĊ do rozwoju i budowy energetyki wiatrowej niezbĊdne jest przeprowadzenie pewnych pomiarów. Podstawową informacją jest pomiar prĊdkoĞci kierunku wiatru, pomiaru tego naleĪy dokonaü w miejscu gdzie ma powstaü elektrownia wiatrowa. Pomiar ten wykonuje siĊ co najmniej na dwóch wysokoĞciach w ten sposób aby wyeliminowaü niekorzystne zawirowania wiatru spowodowane obecnoĞcią budynków, drzew. Takiego pomiaru dokonuje siĊ przez rok, po zebraniu danych wyniki poddaje siĊ obróbce w programie, który wskaĪe zasoby wiatru na poddawanym badaniu terenie. Pomiar ten rejestrowany jest co10 minut, pod uwagĊ bierze siĊ takĪe kierunek wiejącego wiatru [3].

UĪyteczna prĊdkoĞü dla potrzeb energetyki wiatrowej to prĊdkoĞü wiatru wynosząca co najmniej 4 m/s. W Polsce wyróĪnione są rejony o wzmoĪonej prĊdkoĞci wiatru takie jak:

-PobrzeĪe SłowiĔskie i Kaszubskie -Suwalszczyzna -prawie cała nizinna czĊĞü Polski z udziałem prĊdkoĞci na Mazowszu i Ğrodkowej czĊĞci

Pojezierza Wielkopolskiego -Beskid ĝląski i ĩywiecki -dolina Sanu od granic po Sandomierz

W tych rejonach Ğrednia roczna prĊdkoĞü wiatru przekracza 4m/s a w rejonach wybrzeĪa 6m/s [3].

PoniĪsza mapa (Rys. 8.) ukazuje warunki wiatrowe w Polsce:

Rys. 8. Warunki wiatrowe w Polsce

W Polsce pracuje ok. 29 elektrowni wiatrowych podłączonych do sieci i sprzedających energiĊ zakładom energetycznym. PoniĪsza mapka (Rys. 9.) przedstawia duĪe elektrownie wiatrowe wystĊpujące w Polsce:



Rys. 9. Elektrownie wiatrowe w Polsce

PotĊgą w Europie w dziedzinie produkcji i zastosowania wiatraków jest Dania.

W tym kraju zainstalowane jest ok.4000 wiatraków, co powoduje zaspokojenie ok.10%

potrzeb energetycznych tego paĔstwa [3].

Jednak energia wiatru nie jest tylko wykorzystywana do napĊdzania młynów i generowania energii elektrycznej, ale energia ta wykorzystywana jest takĪe przez pompy wodne.

Od dawnych lat takie pompy słuĪyły do nawadniania lub osuszania pola pompując wodĊ.

Pompy te charakteryzują siĊ niskim kosztem eksploatacji i w miarĊ niskim kosztem początkowym. Stosowane pompy o wieków mają równieĪ odpowiednie rozwiązania konstrukcyjne oraz technologiczne. Bardzo atrakcyjne kosztowo jest zastosowanie tego rodzaju pomp w rolnictwie gdzie dziĊki ich zastosowaniu moĪna dostarczyü taniej wody uĪytkowej

z istniejących zbiorników otwartych dziĊki czemu oszczĊdzamy drogą wodĊ pitna.

ĝwiatowe zasoby wody nadającej siĊ do spoĪycia z resztą są bardzo skromne i ich oszczĊdzanie jest wskazane pod kaĪdym wzglĊdem. Dlatego kraje bardzo rozwiniĊte technologicznie stosują tego rodzaju pompy. Pompy wiatrowe wykorzystywane są równieĪ do oczyszczania Ğcieków, oddalonych od terenów zabudowy (infrastruktury energetycznej),

co powoduje zmniejszenie kosztów dalszego doprowadzenia sieci energetycznej o stosownych mocach [2-4].

4.3. ZaleĪnoĞci opisujące energiĊ wiatru

Energia wiatru jest wprost proporcjonalna do prĊdkoĞci wiatru w potĊdze trzeciej, przy czym prĊdkoĞü wiatru ulega zmianie wraz z wysokoĞcią, a dodatkowo jest zaleĪna od ukształtowania terenu .Przy powierzchni Ziemi prĊdkoĞü wiatru jest równa zero, spowodowane jest to silami tarcia. Siły te powodują, Īe tylko ¼ energii kinetycznej wiatru przypada na wiatry wiejące na wysokoĞci 100m, reszta czyli ¾ energii mają wiatry wiejące powyĪej 100m [8]. Ze wzglĊdów technicznych i ekonomicznych budowanie tak wysokich siłowni wiatrowych jest nieopłacalne. PrĊdkoĞü wiatru Vo ulega zmianie na skrzydłach turbiny wiatrowej do prĊdkoĞci Vs, która z turbiną dalej siĊ zmniejsza do wartoĞci Vk, Vo

Z róĪnicy tej, a takĪe ze spadku ciĞnienia z ps' przed turbiną do ps" za turbiną wynika praca uĪyteczna. Moment sił obwodowych działających na łopatki jest przenoszony przez wał wirnika, przez przekładniĊ do generatora.: PrĊdkoĞü przepływu powietrza przez wirnik jest Ğrednią arytmetyczną prĊdkoĞci wiatru przed i za wirnikiem [8]:

V

^V

^V

+

= [m/s] (1)

Moc uĪyteczna pobierana od strumienia jest róĪnicą energii kinetycznej powietrza przed i za wirnikiem, zgodnie z zaleĪnoĞcią [8]:

P

2 2

0 Vk

V − =A_s*V_s*p*

2

2 2

k

o V

V − = A_s* 2

2 2

k

o V

V + *p*

2

2 2

k

o V

V − [W] (2)

Maksimum mocy dla danej prĊdkoĞci wiatru V^o i okreĞlonych wymiarów wirnika As,

wynika z warunku [8] dPu /dVk=0

Pu =½* As* ȡ*(Vo³- Vo* Vk²+ Vo²* Vk - Vk³) (3)

k u

dV

dP =½* As* ȡ*(-2 Vo* Vk+ Vo²-3*Vk³)=0 (4)

Vk = 3 Vo

(5)

Przy takim optymalnym zmniejszeniu prĊdkoĞci powietrza teoretycznie maksymalna moc uĪyteczną okreĞla wzór [8]:

Pu max=

27 8

As pV₀³= 27 2π ₂

Ds *p*V₀³ [W] (6) Siła noĞna i oporu Ğmigla opisane są zaleĪnoĞciami:

FN/op=CN/op* p 2

2

V0

As [N] (7) Gdzie: CN- współczynnik siły noĞnej,

Cop-wsółczynnik siły oporu,

Są one funkcją profilu Ğmigła. Stosunek tych współczynników jest nazywany współczynnikiem doskonałoĞci profilu dla danej powierzchni Ğmigła- As[8].

Moc silnika wiatrowego opisuje nastĊpująca zaleĪnoĞü:

P= ² ₀³

2 2 2

2

2 2

4 ] 1 2

1 ) 3

1 2( [1 1

1 D D pV

d

z D d z C C D d e

e

s s s s

s

n op s

s π

−

−

−

−

− +

− [W] (8)

Gdzie: e- współczynnik wykorzystania energii wiatru (e=0,3-0,4), z-wyróĪnik szybkobieĪnoĞci,

SprawnoĞü przetwarzania energii wiatru na energiĊ eteryczną jest iloczynem sprawnoĞci turbiny wiatrowej i połączonej z nią prądnicy [8]

Cechą charakteryzującą napĊd siłowni wiatrowej jest wyróĪnik szybkobieĪnoĞci z, który jest stosunkiem prĊdkoĞci obwodowej koĔca wirnika U do prĊdkoĞci wiatru Vo:

Z=

V0

U = 2V0

D_s

ω (9)

W zaleĪnoĞci od współczynnika szybkobieĪnoĞci silnika z, prĊdkoĞci wiatru za wirnikiem Vk [8].

oraz jego sprawnoĞci mechanicznej Șs, róĪna jest jego sprawnoĞü przepływowa:

Șp= Șs1(1 ) (1 )

0 2

0 V

V V

V z

k

k −

+ ₍₁₀₎

JeĞli znamy współczynnik momentu obrotowego ĭ moĪemy wyznaczyü moment obrotowy na wale silnika wiatrowego:

Mo= ĭ

2 2

2

0 d

pV A

s (11) gdzie: d-Ğrednica wału,

WydajnoĞü turbiny wiatrowej okreĞla zaleĪnoĞü :

E=A*Kel*Ș [kW*h/a] (12) gdzie:

A- powierzchnia Ğmigła(A=ʌ*2r²/4)[m²], Kel- potencjał energetyczny wiatru,

kW*h/(m²*a)-zaleĪy od Ğredniej rocznej prĊdkoĞci wiatru, Ș- sprawnoĞü turbiny [8].

4.4 Zalety i wady urządzeĔ

Zalety siłowni wiatrowych:

-nie powodują zanieczyszczania Ğrodowiska naturalnego, -energia wiatru jest bezpłatna,

-mogą byü budowane na nieuĪytkach ( gruntach nie nadających siĊ do zagospodarowania), -zapewniają nowe miejsca pracy

Wady siłowni wiatrowych:

-wysokie koszty inwestycji -wysokie koszty eksploatacji,

-mogą byü przyczyną destabilizacji systemu energetycznego kraju, -wymagają stosowania akumulatorów energii,

-są zagroĪeniem dla ptaków,

-konstrukcje amatorskie pracują doĞü głoĞno [8].