Czym jest energia wiatrowa?

Lub - skąd się bierze wiatr?

Energia wiatrowa jest przekształconą formą energii słonecznej. Słońce wysyła co godzinę w kierunku Ziemi energię o mocy 174 423 000 000 000 kWh. Promieniowanie słoneczne dociera na Ziemię w nierównomiernym rozłożeniu, tak że atmosfera i masy wodne oraz lądowe w pobliżu równika są o wiele mocniej nagrzewane niż ma to miejsce w pozostałej części globu. Ponadto masy lądowe ogrzewają i ochładzają się szybciej niż masy wodne.

System konwekcyjny atmosfery powstaje w następujacy sposób: ciepłe powietrze jest znacznie lżejsze niż powietrze zimne i podnosi się na wysokość ok. 10 km (6 mil), aby następnie rozprzestrzenić się na północ i południe. W tym czasie zimne masy powietrza przesuwają się pod ocieplone prądy powietrza. Masy powietrza i wody poruszają się w układzie obrotowym. Wskutek obrotu Ziemi ruch ten nie jest prostoliniowy i powoduje to, że wyż na półkuli północnej przesuwa się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, zaś niż - w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Na półkuli południowej ruch odbywa się w sposób dokładnie odwrotny. Kierunek obrotu obszarów wysokiego i niskiego ciśnienia określany jest przez tzw. siłę Coriolisa. Wskutek zróżnicowanego pobierania ciepła przez wody i lądy oraz formacje górskie, powstają różnice ciśnienia atmosferycznego wpływające znacznie na prądy powietrza. Z prądów powietrza powstaje wiatr.

Około 1-2 procent energii słonecznej przeobrażane jest w sposób naturalny w energię wiatrową. 
Badania naukowe amerykańskiego uniwersytetu Harvard University w Cambridge dowiodły, że globalna sieć elektrowni wiatrowych byłaby w stanie pokryć całkowite zapotrzebowanie energetyczne całej ludności na Ziemi.

do góry

Historia energii wiatrowej

Energia wiatrowa jest jedną z najstarszych wykorzystywanych przez człowieka form energii. Od zamierzchłych czasów ludzie wytwarzają za pomocą wiatraków siłę mechaniczną, mieląc zboże i pompując wodę. Wraz z pojawieniem się elektryczności pod koniec XIX wieku powstały pierwsze elektrownie wiatrowe w oparciu o technikę wiatraków. Proces uznania energii wiatrowej jako poważnej metody nowoczesnej produkcji energii trwał jednak dość długo.

Wraz z pierwszym kryzysem naftowym w latach 70., przede wszystkim jednak wskutek ruchu denuklearyzacyjnego w latach 80. w Europie, zrodziło się zainteresowanie energiami alternatywnymi. Poszukiwano nowych rozwiązań umożliwiających ekologiczne i ekonomiczne wykorzystanie zasobów naturalnych. Pierwsze opracowane w tym okresie elektrownie wiatrowe były ekstremalnie drogie, a wynikająca z tego wysoka cena energii stała się głównym argumentem przeciw wykorzystaniu energii wiatrowej. Zainicjowano nowe międzynarodowe programy badawcze i rozwojowe oraz organizacje – często finansowane ze środków publicznych – badające nowe założenia wytwarzania energii i prowadzące istotne badania podstawowe.

Organizacje badawcze, jak Niemiecki Instytut Energii Wiatrowej (Deutsches Windenergie-Institut DEWI) oraz Duński Instytut Badawczy Risø, a także różne programy rozwojowe i badawcze oraz międzynarodowe kooperacje w dziedzinie energii wiatrowej były istotnie odpowiedzialne za przemysłowy i technologiczny przełom w coraz bardziej profesjonalnie działającej branży energii wiatrowej. Standaryzacja i normalizacja wszelkich wspieranych inwestycji i regulacji w zakresie bezpieczeństwa oraz coraz lepsza realizacja inwestycji przyczyniły się do wzrostu ich ekonomiczności.

Horrendalne niegdyś koszty wytwarzania energi wiatrowej obniżono już w 1981 roku wraz z projektem generacji elektrowni wiatrowych o mocy 55 kW o około 50 procent na każdą kilowatogodzinę (kWh).
Według danych kilku organizacji ekologicznych wykorzystanie energii wiatrowej przy uwzględnieniu wszystkich zewnętrznych kosztów produkcji energii (np. strat środowiska naturalnego) jest obecnie jednym z najtańszych źródeł energii.

Nowoczesne elektrownie wiatrowe na świecie stanowią obecnie znaczący udział w globalnej produkcji energii. Niemcy uznawane są za jeden z najważniejszych rynków energii wiatrowej świata, o drugiej największej po Stanach Zjednoczonych mocy energetycznej (23 903 MW w 2008 roku). Obecnie Niemcy, Stany Zjednoczone, Hiszpania, Francja, Chiny i Indie należą do największych użytkowników energii wiatrowej przetwarzanej na energię elektryczną.

Przemysł energii wiatrowej stał się znaczącym rynkiem rozwojowym oraz czynnikiem ekonomicznym wraz ze stale rosnącym poziomem eksportu.

do góry

Przyszłość energii wiatrowej

Międzynarodowi eksperci do spraw klimatu i środowiska są zgodni co do tego, że Ziemia ociepla się, a zasoby naturalne wyczerpują się. Ponadto stare elektrownie z lat 60. i 70. należy wkrótce wymienić, i to w drastycznie zmienionych politycznie i gospodarczo warunkach. Globalne problemy środowiska naturalnego nie dają się już ignorować. Poprzez międzynarodowe konwencje, jak np. protokół z Kioto, kraje uprzemysłowione zobowiązują się do redukcji emisji gazów cieplarnianych. Ogólnoświatowe ustandaryzowane zastosowanie energii odnawialnych – niezależnie od warunków klimatycznych i krajowych regulacji prawnych – staje się coraz bardziej prawdopodobne. Branża energii wiatrowej patrzy w związku z tym w przyszłość bardzo optymistycznie.

do góry

Chronologia prekursorów energii wiatrowej

Charles F. Brush (1849-1929) - jeden z założycieli amerykańskiego stowarzyszenia elektryczności. W latach 1887-88 wybudował urządzenie, które dziś uznawane jest za pierwszą w pełni automatyczną elektrownię wiatrową wytwarzającą prąd. Wymiary były na ówczesne czasy gigantyczne: średnica wirnika: 17 m (50 stóp), 144 łopaty wirnikowe z drewna cedrowego. Instalacja działała 20 lat, naładowując baterie znajdujące się w piwnicy domu jej twórcy. Mimo imponującego rozmiaru elektrowni wiatrowej, moc generatora wynosiła zaledwie 12 kW.

Poul la Cour (1846-1908) - duński meteorolog. Uznawany za ojca nowoczesnych elektrowni wiatrowych wytwarzających prąd. Jego pierwsze komercyjne elektrownie zostały zainstalowane po pierwszej wojnie światowej, zainicjowane brakiem paliwa napędowego. Założył na Jutlandii pierwszy zakład doświadczalny w zakresie energii wiatrowej, gdzie nauczał pierwszych inżynierów w tej dziedzinie. Oprócz pierwszych prób na polu techniki kanałów wiatrowych wydawał pierwsze czasopismo poświęcone tematyce energii wiatrowej.

Albert Betz (1885-1968) - niemiecki fizyk. Jako ówczesny kierownik Instytutu Aerodynamiki w Göttingen sformułował prawo Betza i wykazał, że fizyczne maksimum wykorzystania energii wiatru wynosi 59,3%. Jego teoria dotycząca formy skrzydeł stanowi także dziś podstawę przy projektowaniu instalacji wiatrowych.

Palmer Cosslett Putnam (1910-1986) - amerykański inżynier, opracował w 1941 roku siłownię wiatrową Smith Putnam o mocy 1,25 MW, działającą z przerwami do 1945 roku i zlikwidowaną z powodu uszkodzenia materiału. Materiały oraz jakość materiału niezbędne dla obiektu tej wielkości nie były wówczas jeszcze osiągalne.

Ulrich W. Hüttner (1910-1990) - niemiecki inżynier. Zbudowana przez niego w 1957 roku na polu doświadczalnym w Jurze Szwabskiej elektrownia o mocy 100 kW StGW-34 uznawana jest za kamień milowy w rozwoju nowoczesnej technologii energii wiatrowej.

Johannes Juul (1887-1969) - duński inżynier, student Poula la Coura. Zbudował w 1957 roku w Vester Egesborg (Dania) pierwszą siłownię wiatrową (200 kW) konwertującą moc wiatru na prąd zmienny. Jest ona prekursorem dzisiejszych elektrowni wiatrowych.

Lata 70. i 80.:
pierwszy kryzys naftowy doprowadził do zmiany myślenia w polityce energetycznej. Zainteresowanie energiami alternatywnymi wzrosło i doprowadziło do powstania narodowych i międzynarodowych programów badawczych i rozwojowych.

Niemieccy i duńscy pionierzy opracowali pierwsze działające ekonomicznie siłownie wiatrowe, które przyczyniły się do przemysłowego i technologicznego przełomu w branży energii wiatrowej

do góry

Obliczanie mocy wiatru

Energia wiatrowa jest energią kinetyczną cząstek powietrza poruszających się z określoną prędkością. Powierzchnia okręgu o promieniu r znajdująca się w pozycji pionowej do kierunku wiatru jest przesuwana w określonym czasie t przez następującą masę:

Energię kinetyczną wiatru określa się zgodnie z poniższym wzorem:

Należy zwrócić uwagę na to, że moc wiatru rośnie proporcjonalnie do trzeciej potęgi prędkości wiatru. Tym samym jest on jednym ze współczynników decydujących przy technicznym wykorzystaniu energii wiatrowej.

do góry

Obliczanie gęstości powietrza

Przy pomiarach wiatru niezwykle ważne jest określenie gęstości powietrza. Gęstość powietrza na różnych wysokościach i przy różnych temperaturach mocno się zmienia. Różnica gęstości powietrza między temperaturą -10 stopni Celsjusza a +30 stopni Celsjusza wynosi 0,177 kg/m³

Gęstość powietrza p to:

w kg/m3; ciśnienie atmosferyczne = p, stała gazowa R, temperatura w kelwinach = T

do góry

Jednostka pomiaru energii wiatru

Energia wiatru mierzona jest w kilowatogodzinach (kWh) lub megawatogodzinach (MWh) przy uwzględnieniu czasu, np. na rok lub na godzinę.

do góry