wiatraki

Wiatr to poziomy lub prawie poziomy ruch powietrza względem powierzchni ziemi. Wiatry są wywołane przez różnicę temperatur oraz różnice w ukształtowaniu powierzchni. Termin wiatr jest używany w meteorologii prawie wyłącznie na określenie horyzontalnej składowej wiatru. Istnieje jednak składowa pionowa wiatru i wtedy jest tak nazywana. Wiatr może wiać z obszarów wyższego ciśnienia do obszarów niższego ciśnienia, ale w średnich szerokościach geograficznych, ze względu na siłę Coriolisa, wiatr wieje zazwyczaj równolegle do linii takiego samego ciśnienia (wiatr geostroficzny). Strumień energii poruszającego się powietrza określa wzór: gdzie: r – gęstość powietrza, kg/m3, v – prędkość powietrza, m/s, F – powierzchnia zakreślona skrzydłami wirnika, m2. 23 . Energia wiatrowa w Polsce Polska posiada jedne z największych w Europie zasoby energii ze źródeł odnawialnych (źr. Największe, wg S. Gomuy, J. Zimnego, T. Fiszera, „Kierunki rozwoju energetyki wiatrowej w świecie, Europie i Polsce w latach 1993-2004”, AGH, Kraków 2005. roczny bilans energetyczny zasobów energii ze źródeł odnawialnych autorzy oceniają jako przeszło 150-krotnie przekraczający roczne zapotrzebowanie na energię w Polsce.) Jednym z tych zasobów jest energia wiatrowa , której potencjał energetyczny oceniany jest na 150 PJ/rok. Tereny najbardziej nadające się na instalacje elektrowni wiatrowych w Polsce występują na północy oraz na północnym-wschodzie, w okolicy Suwak. Jednak terenów sprzyjających energetyce wiatrowej jest znacznie więcej i obejmują one ponad 1/2 powierzchni kraju, a także całą polską wyłączoną strefę ekonomiczną Morza Batyckiego Możliwości rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce są bardzo obiecujące, na co wskazują uzyskane wyniki badań prowadzonych w IMGW, na podstawie wieloletnich obserwacji kierunków i prędkości wiatru prowadzonych na profesjonalnej sieci meteorologicznej Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. W Polsce średnia roczna prędkość wiatrów waha się od 2,8 do 3,5 m/s. Prędkości powyżej 4 m/s (wartość minimalna do efektywnej pracy) występują na wysokości 25 i więcej metrów na 2/3 powierzchni naszego kraju. Z kolei prędkości powyżej 5 m/s występują na niewielkim obszarze, na wysokości 50 metrów i powyżej. Zasoby energii wiatru przedstawia mapa autorstwa prof. Haliny Lorenc z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. 24 2. Wykorzystanie energii wiatru Energię wiatru możemy spożytkować, wykorzystując zamianę energii kinetycznej wiatru na energię elektryczną. Elektrownia wiatrowa wytwarza energię elektryczną z energii wiatru za pomocą silnika wiatrowego sprzężonego z generatorem elektrycznym. Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest ekologicznie czysta, gdyż jej wytworzenie nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa. 25 3. Turbina wiatrowa i zasady działania Urządzeniem, które jest niezbędne podczas budowy każdej elektrowni wiatrowej jest turbina wiatrowa, czyli urządzenie odpowiedzialne za przekształcanie energii kinetycznej wiatru w energię mechaniczną, która w konsekwencji przekształca się na energię elektryczną. Przede wszystkim należy zacząć od tego, jak każda turbina jest zbudowana. Niezbędne elementy turbiny to (od dołu): fundament, wyjście do sieci elektroenergetycznej, wieża, wejściowa drabinka, serwomechanizm kierunkowania elektrowni, gondola, generator, wiatromierz, hamulec postojowy, skrzynia przekładniowa, łopata wirnika, siłownik mechanizmu przestawiania łopat i piasta. Teraz, znając poszczególne elementy budowy turbiny, można przejść do jej działania. Najważniejszy jest wirnik, który składa się z łopat i piasty. Zadaniem wirnika jest przechwycenie energii kinetycznej wiatru i przekazanie jej do generatora, którego głównym zadaniem jest z kolei przekształcenie owej energii w energię elektryczną. (Oczywiście nieco inaczej może to wygląd przy zastosowaniu innego typu turbin.) . Uproszczona budowa turbiny wiatrowej 26 Działanie elektrowni wiatrowej jest nieco bardziej skomplikowane, niż kolektorów. Mianowicie- turbina napędzana przez wiatr wytwarza energię elektryczną, która przekazywana jest do regulatorów ładowania akumulatorów, napięcia i przetwornicy częstotliwości. Energia do zasilania urządzeń pobierana jest z rozdzielnicy, która decyduje o tym z którego źródła czerpać energię: z akumulatorów, czy wytworzonej bezpośrednio przez generator. Zasada działania przydomowej elektrowni wiatrowej Gdybyśmy chcieli odzyskać całą energię, jaką niesie wiatr, powietrze nie mogłoby opuścić wirnika. Nie uzyskalibyśmy wtedy jednak żadnej energii, gdyż powietrze nie mogłoby również wpaść w obszar wirnika. Okazuje się, że najbardziej efektywna jest turbina, która spowalnia wiatr do 2/3 jego początkowej prędkości. 4. Rodzaje turbin wiatrowych Istnieją trzy podstawowe rodzaje elektrowni wiatrowych: 1. Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu. . Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu. . Turbina wiatrowa o osi poziomej wyposażona w dyfuzor . . Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu Są to najbardziej popularne rodzaje turbin. Posiadają one klasyczne łopaty, których w danej turbinie może występować różna ilość, najpopularniejsze są jednak turbiny trójłopatowe. Wirniki zamontowane w tego typu turbinach mogą znajdować się po stronie nawietrzne, jak i zawietrznej. Obydwa rozwiązania są stosowane w zależności od potrzeb. Pierwsze rozwiązanie stosuje się przy większych konstrukcjach, gdzie zastosowano układ elektronicznego naprowadzania na kierunek wiatru lub ster aerodynamiczny, wtedy wirnik pracuje przy równomiernym obciążeniu. Drugie rozwiązanie raczej stosuje się przy małych siłowniach, gdzie nie ma systemu naprowadzania na kierunek wiatru (elektronicznego czy też aerodynamicznego), jego wadą jest powstawanie pola silnych turbulencji tuż za wieżą co powoduje niekorzystne zjawiska wpływające na łopatki wirnika.  Przykładowa turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu (źródło: http://www.thecuttingedgenews.com) . Ważnym czynnikiem silników wiatrowych jest wyróżnik szybkobieżności czyli stosunek prędkości obwodowej elementu obracającego się silnika do prędkości wiatru. W zależności od wyróżnika szybkobieżności silniki wiatrowe można podzielić na: · wolnobieżne, · średniobieżne, · szybkobieżne. Silniki wolnobieżne charakteryzują się dużym momentem obrotowym przy niskich obrotach przy rozruchu, natomiast szybkobieżne mają w całym zakresie obrotów niższy moment obrotowy w stosunku do wolnobieżnych, ale za to osiągają dużo wyższe obroty. Najczęściej spotykanym modelem turbiny profesjonalnej jest turbina o trzech aerodynamicznych łopatach wykonanych z włókien szklanych lub węglowych, wieży o wysokości 20 - 70 m wykonanej ze stali. W wielu zaawansowanych projektach turbin wiatrowych stosuje się system zmiany kąta natarcia wiatru na powierzchnię łopaty. Realizuje się to poprzez obrót każdej łopaty wokół własnej osi. Kąt natarcia reguluje się tak aby był on najkorzystniejszy w danym przedziale prędkości. Zabezpieczeniem siłowni przez zniszczeniem (nadmierną prędkością obrotową ) są hamulce. Automatyczne zatrzymanie siłowni wiatrowej następuje przy prędkości wiatru od 25 - 30 m/s oraz przy prędkości wiatru poniżej 4 m/s. Stosuje się dwa rodzaje hamulców: mechaniczne - najczęściej tarczowe oraz hamulce aerodynamiczne tzn. zmiana kąta ustawienia 4.2. Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu. W 1931 roku Darrieus zbudował wirnik, który posiadał zerowy moment startowy, dlatego też niezbędne było jego początkowe napędzenie. W odróżnieniu od typowych turbin wiatrowych oś obrotu tej turbiny jest pionowa, co oznacza, że nie jest to zwykły wiatrak (śmigło) zamontowany na wysokim maszcie. Urządzenie to jest bardziej skomplikowane, zasada działania jest znacznie mniej intuicyjna a zakres zastosowania (prędkości, przy których dobrze działa) niestety mniejszy. Gdy wirnik turbiny Darrieusa się obraca, wypadkowa prędkość opływu łopaty napływa na łopatę pod dodatnim kątem natarcia. Łopata wyposażona jest w profil aerodynamiczny o takim kształcie, by taki kąt natarcia powodował powstanie siły “nośnej”. Siła ta porusza wirnikiem. Niestety, turbina wiatrowa Darrieusa zazwyczaj nie może uruchomić się sama. Gdy wirnik się nie obraca, nie ma wypadkowej prędkości zatem nie ma siły nośnej. Jedynie w szczególnych, rzadkich przypadkach, może nastąpić samoczynne rozpędzenie się turbiny. Wirnik wiruje z prędkością większą niż prędkość wiatru i w zasadzie od niej niezależną. Turbina wiatrowa Darrieusa jest poważnie narażona na uszkodzenia mechaniczne z powodu bardzo dużych sił odśrodkowych działających na łopaty. Turbiny tego typu są znacznie bezpieczniejsze dla ptaków i nietoperzy, bo poruszają się z prędkością zbliżoną do prędkości wiatru. Odmienna sytuacja ma miejsce w przypadku zwykłych turbin śmigłowych, których końcówki poruszają się z olbrzymimi prędkościami. Ponieważ turbiny Darrieusa wyposażone są w łożyska umieszczone na dole wieży, jest do nich znacznie łatwiejszy dostęp niż w przypadku zwykłych turbin wiatrowych. Uproszczona budowa i przykładowa turbina Darrieusa (www.reuk.co.uk) Kolejnym typem wirnika siłowni wiatrowych o pionowej osi obrotu jest wirnik Savoniusa. Wirnik tego typu został opisany przez S.J.Savoniusa ok. 1920 roku. Wirnik ten nie może konkurować jeśli chodzi o sprawność z typowymi wiatrakami o poziomej osi obrotu lub z wirnikiem Darriusa lecz przewagą jego jest prostota konstrukcji. Istotą działania jest wykorzystanie przede wszystkim siły parcia wiatru, lecz także (choć w niewielkim stopniu) siły nośnej. Ze względu 30 na stosunkowo duży moment startowy wirniki tego typu zwykle wykorzystywane są do napędzania pomp wodnych.  Uproszczona budowa i przykładowa turbina Savoniusa (www.reuk.co.uk) . Turbina wiatrowa o osi poziomej wyposażona w dyfuzor Jest to tradycyjna turbina, jednakże znajdująca się w tunelu(dyfuzorze). Dyfuzor to odcinek rury o zmiennej średnicy, wywołujący przy wewnętrznym przepływie powietrza zmiany podciśnienia. Szczelina w dyfuzorze, znajdująca się za wirnikiem, dodatkowo wywołuje przyrost prędkości powietrza przepływającego przez wirnik, co podnosi sprawność siłowni. Takie konstrukcje mają wydajność znacznie większą niż turbina tych samych rozmiarów, ale bez dyfuzora.  Budowa turbiny wiatrowej wyposażonej w dyfuzor . Ekonomia budowy turbiny wiatrowej Zobowiązujemy się do kupienia zestawu: generatora wiatrowego(2 kW) wraz z pełnym wyposażeniem (przewody, ogon, lotki), kompletu śmigieł, kontrolera pracy elektrowni i ładowania akumulatorów, przetwornicy 2000W umożliwiająca podłączenie dowolnych urządzeń elektrycznych i zestawu 10 nowych dedykowanych akumulatorów. Koszt całego zestawu razem z montażem wynosi 18 000 zł (źródło: allegro.pl- AirGenerator) Przyjmuje się, że elektrownia w czasie roku jest w stanie wytworzyć średnio 20- 25% mocy jaką posiada generator. Przy kosztach 1kWh=0,4zł w ciągu roku oszczędzamy 1752 zł Wynika z tego ze inwestycja taka zwraca się po ok. 10 latach od rozpoczęcia pracy turbiny.