Turbiny wiatrowe – budowa, zasada działania oraz eksploatacja
Artykuł omawia turbin wiatrowych, koncentrując się na ich budowie, zasadzie działania oraz eksploatacji. Zawiera przegląd historii turbin, ich wpływu na globalną produkcję energii oraz zalety i wyzwania związane z ich użytkowaniem. Analizuje także rosnącą rolę energii wiatrowej w kontekście zrównoważonego rozwoju i transformacji energetycznej.
Spis Treści
Wprowadzenie
Wraz z postępem przemysłowym i globalnym rozwojem technologicznym, zapotrzebowanie na energię elektryczną stale wzrasta. W przeszłości, rosnące potrzeby energetyczne były głównie zaspokajane przez intensywne wykorzystanie nieodnawialnych źródeł energii. Współcześnie społeczeństwa na całym świecie zaczynają jednak dążyć do bardziej zrównoważonego rozwoju, co przekłada się na wzrost znaczenia energii odnawialnej. Jednym z kluczowych źródeł tego typu energii jest energia wiatrowa, której znaczenie i udział w globalnej produkcji energii stale rośnie. Energia ta może zasilać zarówno domy jednorodzinne, jak i duże instalacje przemysłowe. W 2024 roku energia wiatrowa wciąż odgrywa znaczącą rolę w miksie energii odnawialnej na świecie. Z danych opublikowanych przez Międzynarodową Agencję Energetyki Odnawialnej (IRENA) wynika, że energia wiatrowa stanowi około 26,3% całkowitej mocy zainstalowanej źródeł odnawialnych, co przekłada się na 1017 GW z łącznej mocy odnawialnej wynoszącej 3865 GW. W zestawieniu z innymi źródłami odnawialnymi, energia wiatrowa jest drugim największym źródłem po energii słonecznej, która odpowiada za 36,7% tej mocy. Ponadto, w 2023 roku energia wiatrowa przyczyniła się do 23,4% wzrostu całkowitej mocy odnawialnej, co podkreśla jej rosnące znaczenie w globalnym miksie energetycznym. Jeśli chodzi o szczegółowe dane na temat udziału różnych źródeł odnawialnych w produkcji energii, biopaliwa stałe są na pierwszym miejscu z udziałem 41,4%, energia wiatrowa zajmuje drugie miejsce z 13,2%, a na trzecim miejscu znajduje się energia wodna z 11,9%
Historia turbin wiatrowych
Początki stosowania turbin wiatrowych do produkcji energii elektrycznej sięgają XIX wieku. Pierwsza turbina tego typu została postawiona w 1891 roku w miejscowości Ascov w Danii. Miała ona wysokość 23 metrów i rozpiętość łopat wynoszącą tyle samo, co pozwalało generować moc w zakresie od 5 do 25 kW.
Pierwsza turbina wiatrowa, zdjęcie wykonano w Ascov, Dania, 1897,
Źródło: Poul La Cour Foundation
Obecnie największą turbiną wiatrową na świecie jest Mingyang MySE 20.X-20MW, zainstalowana u wybrzeży Hainan w Chinach. Ta ogromna turbina ma moc 20 megawatów (MW), co czyni ją większą od poprzedniego modelu o mocy 18 MW z 2023 roku. Średnica jej wirnika wynosi od 260 do 292 metrów, a powierzchnia omiatania przekracza 66 tysięcy metrów kwadratowych, co pozwala jej generować wystarczającą ilość energii, by zasilić około 96 tysięcy gospodarstw domowych rocznie.
Zasada działania turbin wiatrowych
Turbiny wiatrowe przekształcają energię kinetyczną wiatru na energię elektryczną. Choć istnieje wiele metod konwersji tej energii, nie wszystkie są efektywne z ekonomicznego punktu widzenia. Najczęściej spotykane turbiny wiatrowe dzieli się na dwie grupy – z poziomą i pionową osią obrotu. W przypadku turbin o osi poziomej, popularność zawdzięczają one możliwości kontroli prędkości oraz optymalizacji mocy wyjściowej przez regulację kąta natarcia łopat.
Turbiny o pionowej osi obrotu, takie jak turbiny Savoniusa, Darrieusa i turbiny typu H, cechują się możliwością umieszczenia generatora na poziomie gruntu, co ułatwia ich serwisowanie. Jednakże turbiny o osi poziomej (HAWT) są obecnie najczęściej stosowane ze względu na ich wyższą efektywność w zmieniających się warunkach pogodowych.
Przeczytaj również: Ogromna wieża solarna w Afryce – Magazyn ciepła w soli
Budowa i elementy turbiny wiatrowej
Typowa turbina wiatrowa o osi poziomej składa się z kilku kluczowych elementów. Najważniejszymi są:
-
Kolumna – podstawa, na której zamocowana jest gondola z mechanizmami. Musi być wytrzymała i stabilna.
-
Wirnik – odpowiada za przekształcanie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną.
-
Łopaty – generują siłę nośną, co wprawia wirnik w ruch.
-
Mechanizm obrotu gondoli – umożliwia ustawienie wirnika w kierunku wiatru.
-
Generator – przekształca energię mechaniczną w elektryczną, często z użyciem przekładni.
W celu dostosowania parametrów energii do wymagań sieci energetycznej stosuje się różne metody regulacji mocy, takie jak regulacja kąta natarcia łopat czy zmiana obciążenia generatora.
Zalety i wyzwania związane z turbinami wiatrowymi
Energia wiatrowa posiada wiele zalet. Przede wszystkim, jest to źródło czyste, które nie emituje gazów cieplarnianych ani odpadów. Co więcej, energia wiatrowa jest niewyczerpalna, co czyni ją atrakcyjną alternatywą dla paliw kopalnych. Turbiny mogą być instalowane nawet z dala od odbiorców energii, co dodatkowo zwiększa ich elastyczność użytkową.
Z drugiej strony, technologia ta napotyka na pewne wyzwania. Problemem może być akceptacja społeczna – turbiny wiatrowe mogą wpływać na estetykę krajobrazu, a także generować hałas. Dodatkowo, niestabilność warunków wietrznych sprawia, że efektywność turbin wiatrowych nie jest stała. Koszty napraw uszkodzeń mogą być znaczące, a zaniedbania w serwisowaniu mogą doprowadzić do poważnych awarii.
