Energia wiatru

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Turbiny wiatrowe w Wildorado w Teksasie.
Energia odnawialna
Wind Turbine
Energia wodna
Energia geotermalna
Energia prądów morskich, pływów i falowania
Energia słoneczna
Energia wiatru
Biopaliwo
Biomasa
Biogaz
Energia cieplna oceanu

Energia wiatruenergia kinetyczna przemieszczających się mas powietrza, zaliczana do odnawialnych źródeł energii. Jest przekształcana w energię elektryczną za pomocą turbin wiatrowych, jak również wykorzystywana jako energia mechaniczna w wiatrakach i pompach wiatrowych, oraz jako źródło napędu w jachtach żaglowych. W 2013 roku energia wiatru dostarczyła ludzkości 628 TWh, czyli 2,7% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną[1]. Największy udział w krajowej produkcji energii elektrycznej miała w Danii (32,5%), Portugalii (22,3%), Hiszpanii (19,5%) i Irlandii (18,0%). W Polsce w 2013 roku energia wiatru dostarczyła 6 TWh, czyli 3,6% zapotrzebowania na energię elektryczną[1].

Historia[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: Wiatrak.

Najstarszym znanym wykorzystaniem energii wiatru są łodzie żaglowe. Wiadomo, że były używane już w Starożytnym Egipcie około 3200 lat p.n.e.[2]. Pierwsze wzmianki o wiatrakach znajdują się w Kodeksie Hammurabiego spisanym w XVIII wieku p.n.e.[3]. Wiatraki te miały służyć do pompowania wody i melioracji pól. Najstarsze znane projekty wiatraków pochodzą z prac Herona z Aleksandrii z pierwszego wieku naszej ery[4]. Wiatraki te miały pionową oś obrotu. Pierwsze wiatraki o poziomej osi obrotu, czyli takiej jaka jest obecnie najpopularniejsza, pojawiły się w Europie w XII wieku[5]. Pierwszym zapisem dotyczącym wiatraków na ziemiach polskich jest zezwolenie zakonnikom z Białego Buku na jego budowę wydane przez księcia Wisława z Rugii w 1271 roku[6].

Po wynalezieniu generatora elektrycznego możliwe stało się wykorzystanie energii wiatru do wytwarzania energii elektrycznej. Pierwszą turbinę wiatrową skonstruował w 1887 roku i opatentował w 1891 roku szkocki wynalazca James Blyth[7]. Używał jej do zasilania oświetlenia w swoim domu. Małe turbiny do generowania prądu dla wolnostojących domów rozpowszechniły się na początku XX wieku. Pierwsze przemysłowe turbiny, generujące 100 kW, wybudowano w 1931 roku w ZSRR[8]. Przez wiele lat nie stanowiły one jednak konkurencji dla generatorów zasilanych paliwami kopalnymi. Pierwsze próby wykorzystania turbin wiatrowych na masową skalę były podejmowane w latach 70 XX wieku w odpowiedzi na kryzys naftowy. Do końca XX wieku nie stały się one jednak znaczącym źródłem energii. W 1995 roku moc wszystkich zainstalowanych na świecie turbin wynosiła 4,5 GW i generowały one mniej niż 0,1% całkowitej zużywanej przez ludzkość energii elektrycznej[1].

Fizyka wiatru[edytuj | edytuj kod]

Energia kinetyczna powietrza przelatującego przez powierzchnię A w czasie t określa się wzorem:

E = \frac{1}{2}mv^2 = \frac{1}{2}(Avt\rho)v^2 = \frac{1}{2}At\rho v^3

gdzie v to prędkość wiatru a ρ to gęstość powietrza. Avt określa objętość powietrza przelatującego przez powierzchnię A, Avtρ jego masę. Powierzchniowa gęstość mocy, czyli energia na jednostkę czasu i powierzchni, określa się wzorem

P = \frac{E}{At} = \frac{1}{2}\rho v^3

Moc ta jest więc zależna od trzeciej potęgi prędkości, co oznacza że wiatr o dwukrotnie większej prędkości może dostarczyć ośmiokrotnie więcej mocy. Dlatego lokalizacja turbin wiatrowych w miejscach gdzie wieją silne wiatry ma kluczowe znaczenie dla ich efektywności.

Nie cała energia kinetyczna wiatru może zostać wykorzystana przez turbinę. Wykorzystanie tej energii powoduje, że wiatr zwalnia, utrudniając dalszy napływ wiatru. Teoretycznie maksymalna efektywność turbiny może wynieść 59,3%[9]. W praktyce efektywność turbin jest niższa.

Mapa stale utrzymujących się wiatrów przy powierzchni Ziemi.

Dostępność energii[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Zobacz też: Cyrkulacja powietrza.

Źródłem energii kinetycznej wiatru jest energia światła słonecznego. Ponieważ Ziemia jest ogrzewana nierównomiernie, a lądy nagrzewają się (i stygną) szybciej niż morza, na Ziemi cały czas tworzą się różnice temperatur. Wywołuje to prądy konwekcyjne w atmosferze, różnice ciśnień i cyrkulację powietrza. Szacuje się, że około 1% energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi przekształca się w energię wiatrów, co oznacza, że sumaryczna ich moc może sięgać 900 TW[10]. Większość tej mocy należy do wiatrów wiejących na dużych wysokościach i nad oceanami. Ilość mocy jaka może być praktycznie wykorzystana jest szacowana, w zależności od metodologii, od 18 do 170 TW[11]. Dla porównania, całkowite zapotrzebowanie mocowe ludzkości to 15–18 TW[10].

Produkcja energii elektrycznej[edytuj | edytuj kod]

Przybrzeżna elektrownia wiatrowa na Morzu Północnym.
Information icon.svg Osobny artykuł: turbina wiatrowa.

Najpowszechniej stosowanym urządzeniem do produkcji energii elektrycznej z energii wiatru jest turbina wiatrowa, stanowiąca główny element elektrowni wiatrowej. Turbina składa się z wirnika zamontowanego na wysokiej wieży i połączonego z generatorem prądu. Ponieważ wiatry wiejące przy powierzchni Ziemi mają zwykle niewielką prędkość, moc generowanego prądu można zwiększać zarówno zwiększając średnicę wirnika jak i wysokość wieży. Ograniczeniem jest wytrzymałość materiałów, z których zbudowana jest turbina. Największe współcześnie budowane turbiny mają wirniki o średnicy 164 metrów zamontowane na wieży o wysokości 187 metrów i umożliwiają wytwarzanie 7 MW mocy[12].

Ponieważ siła wiatru jest zmienna, turbiny wiatrowe przez większość czasu nie pracują z pełną dostępną mocą. Stosunek wytwarzanej energii do teoretycznie możliwej do wytworzenia przez daną turbinę (współczynnik wydajności) wynosi zwykle 20–40%, a najwyższe wyniki uzyskują turbiny umieszczone w szczególnie dogodnych miejscach[13]. Przykładowo 1 MW turbina o współczynniku wydajności 35% wytwarza w ciągu roku 1 × 0.35 × 24 × 365 = 3066 MWh, zamiast teoretycznie możliwych 1 × 24 × 365 = 8760 MWh.

Moc generowana przez turbiny może gwałtownie się zmieniać z godziny na godzinę w zależności od siły wiatru. Dodatkowo ulega zmianom dobowym i rocznym. Ponieważ odbiorcy energii elektrycznej nie chcą być uzależnieni od takich zmian, duże elektrownie wiatrowe muszą być wspomagane bądź przez klasyczne elektrownie, bądź przez systemy magazynowania energii takie jak elektrownia szczytowo-pompowa lub CAES[14]. Wykorzystanie energii słonecznej równocześnie z wiatrową może częściowo niwelować ten problem[15][16]. Wyże baryczne charakteryzują się czystym niebem i stosunkowo słabymi wiatrami przy powierzchni, natomiast niże baryczne są zwykle bardziej wietrzne i bardziej pochmurne. Podobnie na wielu obszarach najsilniejsze wiatry wieją w zimie, gdy energii słonecznej jest najmniej[17].

Energetyka wiatrowa[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: Energetyka wiatrowa.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Commons in image icon.svg

Przypisy

  1. 1,0 1,1 1,2 BP Statistical World Energy Review 2014. , 16 czerwca 2014. BP (ang.). [dostęp 16 czerwca 2014]. 
  2. John Coleman Darnell: The Wadi of the Horus Qa-a: A Tableau of Royal Ritual Power in the Theban Western Desert (ang.). Yale, 2006. [dostęp 2010-08-24].
  3. Mathew Sathyajith: Wind Energy: Fundamentals, Resource Analysis and Economics. Springer Berlin Heidelberg, 2006, s. 1–9. ISBN 978-3-540-30905-5. (ang.)
  4. A.G. Drachmann, "Heron's Windmill", Centaurus, 7 (1961), ss. 145-151
  5. Lynn White Jr., Medieval technology and social change (Oxford, 1962) p. 87.
  6. Wiatraki na ziemiach polskich. wiatraki.org.pl. [dostęp 16 lutego 2012].
  7. Trevor J Price. James Blyth – Britain's first modern wind power engineer. „Wind Engineering”. 29 (3), s. 191–200, 3 maja 2005. doi:10.1260/030952405774354921 (ang.). 
  8. Alan Wyatt: Electric Power: Challenges and Choices. Book Press Ltd., Toronto 1986, ISBN 0-920650-00-7
  9. Betz, A. (1966) Introduction to the Theory of Flow Machines. (D. G. Randall, Trans.) Oxford: Pergamon Press.
  10. 10,0 10,1 Energy flow charts (ang.). Global Climate & Energy Project. [dostęp 9 lutego 2012].
  11. Anil Ananthaswamy and Michael Le Page: Power paradox: Clean might not be green forever (ang.). W: New Scientist [on-line]. 30 stycznia 2012.
  12. Elektrownia wiatrowa o mocy 7 MW od Vestas. gramwzielone.pl, 4 kwietnia 2011. [dostęp 15 lutego 2012].
  13. Wind Power: Capacity Factor, Intermittency, and what happens when the wind doesn’t blow?
  14. The Future of Electrical Energy Storage: The economics and potential of new technologies 2/1/2009 ID RET2107622
  15. Wind + sun join forces at Washington power plant
  16. Small Wind Systems (ang.). Seco.cpa.state.tx.us. [dostęp 29 sierpnia 2010].
  17. Lake Erie Wind Resource Report, Cleveland Water Crib Monitoring Site, Two-Year Report Executive Summary (ang.). Green Energy Ohio, 10 stycznia 2008. [dostęp 27 listopada 2008].

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]