Być może widziałeś ich podczas jazdy po wsi. A może widziałeś je tuż przy wybrzeżu, wyłaniające się na horyzoncie z wirującymi ostrzami. Z drugiej strony być może widziałeś je na czyimś dachu lub w ramach małej akcji miejskiej. Niezależnie od lokalizacji, turbiny wiatrowe i energia wiatrowa stają się coraz bardziej powszechną cechą we współczesnym świecie.
Wiele z tego ma związek z zagrożeniem zmianami klimatu, zanieczyszczeniem powietrza i chęcią uniezależnienia ludzkości od uzależnienia od paliw kopalnych. A jeśli chodzi o alternatywne i odnawialne źródła energii, oczekuje się, że energia wiatrowa będzie zajmować drugą co do wielkości część rynku w przyszłości (po energii słonecznej). Ale jak dokładnie działają turbiny wiatrowe?
Opis:
Turbiny powietrzne są urządzeniami, które przekształcają energię kinetyczną wiatru i zmiany przepływu powietrza w energię elektryczną. Zasadniczo składają się z następujących elementów: wirnika, generatora i elementu podparcia strukturalnego (który może przybrać formę wieży, mechanizmu odchylania wirnika lub obu).
Wirnik składa się z łopat przechwytujących energię wiatru i wału, który przekształca energię wiatru w energię obrotową przy niskiej prędkości. Generator - który jest podłączony do wału - przekształca powolny obrót w wysoki w energię elektryczną za pomocą szeregu magnesów i przewodnika (który zwykle składa się z zwijanego drutu miedzianego).
Kiedy magnesy obracają się z drutem miedzianym, wytwarza on różnicę w potencjale elektrycznym, wytwarzając napięcie i prąd elektryczny. Wreszcie istnieje element wsparcia strukturalnego, który zapewnia, że turbina stoi na wystarczająco dużej wysokości, aby optymalnie wychwycić zmiany ciśnienia wiatru i / lub jest skierowana w stronę kierunku wiatru.
Rodzaje turbin wiatrowych:
Obecnie istnieją dwa główne typy turbin wiatrowych - turbiny wiatrowe o osi poziomej (HAWT) i turbiny wiatrowe o osi pionowej (VAWT). Jak sama nazwa wskazuje, poziome turbiny wiatrowe mają główny wał wirnika i generator elektryczny na szczycie wieży, z łopatami skierowanymi w wiatr. Turbina jest zwykle umieszczona pod wiatr od swojej wieży podtrzymującej, ponieważ wieża prawdopodobnie wywoła za nią turbulencje.
Turbiny o osi pionowej (po raz kolejny, jak sama nazwa wskazuje) mają główny wał wirnika ustawiony pionowo. Zazwyczaj mają one mniejszy charakter i nie muszą być skierowane w kierunku wiatru, aby się obracać. Dzięki temu są w stanie wykorzystać wiatr zmienny pod względem kierunku.
Ogólnie rzecz biorąc, turbiny wiatrowe o poziomej osi są uważane za bardziej wydajne i mogą wytwarzać więcej mocy. Podczas gdy model pionowy generuje mniej energii elektrycznej, można go umieścić na niższych wysokościach i wymaga on mniej elementów (szczególnie mechanizmu odchylenia). Turbiny wiatrowe można również podzielić na trzy ogólne grupy na podstawie ich konstrukcji, która obejmuje modele Towers, Savonius i Darrieus.
Model wieżowy jest najbardziej konwencjonalną formą HAWT, składającą się z wieży (jak sama nazwa wskazuje) i szeregu długich ostrzy, które znajdują się przed wieżą (i równolegle do niej). Savonis to model VAWT, który wykorzystuje wyprofilowane ostrza (miarki) do przechwytywania wiatru i wirowania. Na ogół są one mało wydajne, ale mają tę zaletę, że same się uruchamiają. Tego rodzaju turbiny są często częścią operacji wiatrowych na dachu lub montowane na statkach morskich.
Model Darrieus, znany również jako turbina „Eggbeater”, został nazwany na cześć francuskiego wynalazcy, który był pionierem projektu - Georgesa Darrieusa. Ten model VAWT wykorzystuje szereg pionowych ostrzy, które są ustawione równolegle do pionowego wspornika. Na ogół mają niską sprawność, wymagają dodatkowego wirnika, aby rozpocząć obracanie, wytwarzają wysoki moment obrotowy i powodują duże obciążenie wieży. Dlatego są uważane za niewiarygodne w miarę projektowania.
Historia rozwoju:
Energia wiatrowa jest używana od tysięcy lat do pchania żagli, wiatraków lub wytwarzania ciśnienia dla pomp wodnych. Najstarsze znane przykłady pochodzą z Azji Środkowej, gdzie wiatraki używane w starożytnej Persji (Iran) datowane są na lata 500–900 ne. Technologia zaczęła pojawiać się w Europie w średniowieczu i stała się powszechną cechą w XVI wieku.
W XIX wieku wraz z rozwojem energii elektrycznej powstały pierwsze turbiny wiatrowe zdolne do wytwarzania energii elektrycznej. Pierwszy został zainstalowany w 1887 roku przez szkockiego akademickiego Jamesa Blytha, aby oświetlił jego dom wakacyjny w Marykirk w Szkocji. W 1888 roku amerykański wynalazca Charles F. Brush zbudował pierwszą zautomatyzowaną turbinę wiatrową do zasilania swojego domu w Cleveland w stanie Ohio.
Na początku XX wieku turbiny wiatrowe stały się powszechnym sposobem zasilania domów w odległych obszarach (takich jak gospodarstwa rolne). W 1941 r. W Vermont zainstalowano pierwszą turbinę wiatrową klasy megawatów i podłączono do lokalnej sieci elektroenergetycznej. W 1951 r. Wielka Brytania zainstalowała swoją pierwszą turbinę wiatrową podłączoną do sieci elektroenergetycznej na Orkadach.
W latach siedemdziesiątych badania i rozwój technologii turbin wiatrowych znacznie się rozwinęły dzięki kryzysowi OPEC i protestom przeciwko energii jądrowej. W następnych dziesięcioleciach stowarzyszenia i lobbyści zajmujący się alternatywną energią zaczęli pojawiać się w krajach Europy Zachodniej i Stanach Zjednoczonych. Pod koniec dekady XX wieku podobne wysiłki podjęto w Indiach i Chinach ze względu na rosnące zanieczyszczenie powietrza i rosnące zapotrzebowanie na czystą energię.
Moc wiatru:
W porównaniu z innymi formami energii odnawialnej energia wiatrowa jest uważana za bardzo niezawodną i stabilną, ponieważ wiatr jest spójny z roku na rok i nie zmniejsza się w szczytowych godzinach zapotrzebowania. Początkowo budowa farm wiatrowych była kosztownym przedsięwzięciem. Jednak dzięki ostatnim ulepszeniom energia wiatrowa zaczęła ustalać najwyższe ceny na hurtowych rynkach energii na całym świecie i obniżyć przychody i zyski przemysłu paliw kopalnych.
Według raportu opublikowanego przez Departament Energii w marcu 2015 r. Wzrost energetyki wiatrowej w Stanach Zjednoczonych może doprowadzić do powstania jeszcze bardziej wykwalifikowanych miejsc pracy w wielu kategoriach. Dokument zatytułowany „Wizja wiatru: nowa era energetyki wiatrowej w Stanach Zjednoczonych” wskazuje, że do 2050 r. Przemysł może stanowić nawet 35% produkcji elektrycznej w USA.
Ponadto w 2014 r. Global Wind Energy Council i Greenpeace International zebrali się, aby opublikować raport zatytułowany „Global Wind Energy Outlook 2014”. W tym raporcie stwierdzono, że do 2050 r. Energia wiatrowa na całym świecie może zapewnić aż 25 do 30% światowej energii elektrycznej. W momencie pisania raportu instalacje komercyjne w ponad 90 krajach miały całkowitą moc 318 gigawatów (GW) około 3,1% globalnej podaży.
Stanowi to prawie szesnastokrotny wzrost wskaźnika adopcji od 2000 r., Kiedy energia wiatrowa stanowiła mniej niż 0,2%. Innym sposobem spojrzenia na to byłoby stwierdzenie, że udział energii wiatrowej w rynku podwoił się czterokrotnie w ciągu mniej niż 15 lat. To plasuje go na drugim miejscu po energii słonecznej, która podwoiła się siedmiokrotnie w tym samym okresie, ale nadal podąża wiatrem pod względem całkowitego udziału w rynku (około 1% do 2014 r.).
Jeśli chodzi o jego wady, konsekwentnie podnoszoną kwestią jest wpływ turbin wiatrowych na lokalną przyrodę oraz zakłócenie ich obecności na lokalny krajobraz. Jednak obawy te często były zawyżane przez grupy interesów i lobbystów dążących do zdyskredytowania energii wiatrowej i innych odnawialnych źródeł energii.
Na przykład badanie z 2009 r. Opublikowane przez Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej wykazało, że budowa mniejszych farm wiatrowych na stałe zakłóca mniej niż 1 akr na megawat, a tymczasowo zakłóca mniej niż 3,5 akra na megawat. W tym samym badaniu stwierdzono, że oddziaływanie na ptaki i nietoperze jest stosunkowo niewielkie, i że te same wnioski odnoszą się do platform morskich.
Na całym świecie rządy i społeczności lokalne poszukują energii wiatrowej, aby zaspokoić swoje potrzeby energetyczne. W dobie rosnących cen paliw, rosnących obaw związanych ze zmianami klimatu i ulepszania technologii nie jest to zaskakujące. Przy obecnym tempie przyjmowania prawdopodobnie będzie to jedno z największych źródeł energii w połowie wieku.
I koniecznie obejrzyj ten film o turbinach wiatrowych, dzięki uprzejmości NASA Lewis Research Center:
W Space Magazine napisaliśmy wiele interesujących artykułów na temat turbin wiatrowych i energii wiatrowej. Oto, czym jest energia alternatywna ?, Co to są paliwa kopalne ?, Jakie są różne rodzaje energii odnawialnej ?, Energia wiatru na oceanie (z pomocą kosmosu) i czy świat mógłby biegać na energii słonecznej i wiatrowej?
Więcej informacji można znaleźć w artykule How Stuff Works na temat historii i mechaniki energetyki wiatrowej oraz na stronie NASA Greenspace.
Astronomy Obsada ma również kilka odcinków, które są związane z tematem. Oto odcinek 51: Ziemia i odcinek 308: zmiany klimatu.
Źródła:
- Wikipedia - turbina wiatrowa
- NASA - The Wind of Change
- Departament Energii - Jak działają turbiny wiatrowe?
- Amerykańska Agencja Informacji Energetycznej - Rodzaje turbin wiatrowych
