Menu

Historia energetyki wiatrowej

   

    Historia wykorzystania energii wiatru sięga 3000 lat p.n.e. Wtedy po raz pierwszy w Egipcie wykorzystano żagle do napędu łodzi. Na przestrzeni wieków zmieniała się konstrukcja żagli ale idea pozostała nie zmieniona. Pierwsze wiarygodne informacje o istnieniu wiatraków ze źródeł historycznych pochodzą z roku 644 n.e. Opowiada o wiatrakach z pogranicza persko-afgańskiego Seistanu. Późniejszy opis, zawierający szkic, pochodzi z 945 roku i przedstawia wiatrak z pionową osią obrotu. Był używany do mielenia ziarna. Podobne, niezwykle prymitywne wiatraki przetrwały w Afganistanie do dziś. Kilka wieków później podobne konstrukcje, wykonane z bambusa i prymitywnego płótna,  pojawiły się w Chinach do osuszania pól ryżowych (ryc. 2)

ozewia274.jpg

Rys.1 Wiatrak o pionowej osi obrotu z Afganistanu.

 

ozewia275.jpg

Rys.2 Wiatrak Chiński do osuszania pół ryżowych.

 

 

W Europie pierwsze wzmianki o wykoozewia276.jpgrzystaniu wiatraków pochodzą z roku 1180 z Francji (Księstwo Normandii). Były to konstrukcje oparte na poziomej osi obrotu, stąd nazywano je wiatraki europejskimi. Miał to być tzw. wiatrak słupowy, albo "koźlak". Podobne informacje wskazują również na prowincję Brabant, gdzie  wiatrak słupowy został zbudowany już w 1119 roku. Z tego północno-zachodniego zakątka Europy wiatraki szybko rozprzestrzeniły się po całej Europie Północnej i Wschodniej, aż do Finlandii i Rosji Wadą powyższego rozwiązania była konieczność ustawiania wiatraka pod wiatr. Wczesny wiatrak tego typu był budką, którą obracano wokół centralnie usytuowanego słupa, by ustawić skrzydła na wiatr.(rys.3)

 

Rys. 3 Wiatrak słupowy (koźlak) ustawiany ręcznie na wiatr.

 

ozewia32.gif

Rys. Koźlak, wytrzymałość konstrukcji była niska, a jej obrót skomplikowany związany z dużym ciężarem. Wiatrak w czasie silnego wiatru stanowił zagrożenie dla młynarzy, kiwał się na boki i mógł ulec zniszczeniu poprzez złamanie słupa. W późniejszym okresie powstała jego bardziej solidna odmiana, tzw. "paltrak", gdzie cała konstrukcja była oparta na podstawie fundamentowej. Obrót umożliwiało łożysko z systemem rolek, dzięki czemu siła potrzebna do obrotu była mniejsza, a sama konstrukcja bardziej stabilna.

 

W Holandii w XVI wieku wprowadzono kilka zdecydowanych ulepszeń wiatraków, co doprowadziło do powstania nowego typu młyna, tak zwanego „wiatraka holenderskiego”. W wiatraku holenderskim wieża była wykonana jako kamienna, związana z podłożem. Na jej górze zamocowana była ruchoma głowica z kołem wiatrakowym, która obracała się do kierunku wiatru. Stała konstrukcja młyna holenderskiego  pozwoliła na zwiększenie zarówno wymiarów, jak i zakresu zastosowań. Jednak jego wysoki koszt spowodował, ze inne wiatraki, w tym słupowe były równolegle wykonywane, a wiele z konstrukcji przetrwało do XX wieku.

 

ozewiat3.jpg

Ryc.2 Wiatrak holenderski

 

ozewia277.jpg

W niektórych krajach śródziemnomorskich (np. w Grecji) skrzydła wiatraka wyposażano w płócienne żagle, które refowano lub rozwijano. Wiatraków w Europie używano początkowo niemal wyłącznie do napędu młynów zbożowych.

 

Rys. Po prawej (wiatrak holenderski) 

 

W Holandii zaczęto z czasem stosować wiatraki do pompowania wody (od 1344 roku). a następnie do napędu tartaków i wytłaczarni oleju. W XVIII wieku w Anglii wyposażono wiatraki w urządzenia automatycznie nastawiające optymalnie skrzydła w stosunku do kierunku wiatru, oraz samoczynnie regulujące powierzchnię skrzydeł w zależności od siły wiatru.

Największy rozkwit technologii nastąpił w XIX w. kiedy to w Europie pracowało łącznie ponad 200.000 wiatraków.

 

 

 

 


ozewiat4.jpg

Fot. Wiatraki greckie


 

Pierwsza wzmianka o pojawieniu się wiatraków, czyli młynów wietrznych na ziemiach polskich pochodzi z II połowy XIII wieku. Jest ona zawarta w zezwoleniu na budowę młynów poruszanych powietrzem, pochodzącym z 1271 r., a wydanym klasztorowi w Białym Buku przez księcia Wiesława z Rugii.

Zapis z 1289 r. książąt pomorskich na rzecz Cystersek w Szczecinie wyraźnie informuje o istniejącym wiatraku. Kolejne wzmianki informują o wiatrakach w Kobylinie - 1303 r. i Wschowie - 1325 r. W XIV i XV stuleciu budowle te były już powszechnie znane na ziemiach północnej i środkowej Polski.

Na południu kraju pojawiły się o wiele później bo w XVII w. (chociaż w okolicach Głogowa i Raciborza było to w II połowie XIV w.). W następnym stuleciu młyny były na dobre zadomowione w krajobrazie wsi polskiej, zwłaszcza w okolicach Poznania, na północnym Śląsku, Kujawach, Mazurach i Ziemi Lubuskie
j.

Jak wynika ze stosunkowo dokładnych rejestrów w Polsce w XVIII w było ok. 20 tysięcy wiatraków. Często występowały one w dużych grupach - przykładowo na obrzeżach Leszna odnotowano istnienie aż 92 obiektów. W czasie tym młyny wietrzne konkurowały z wodnymi, lecz w XIX wieku na skutek regulacji rzek, nieumiejętnej melioracji w całej Polsce ilość wiatraków znacznie się zwiększyła. Również zniesienia w państwie pruskim przymusu mlewa (1808 r.) przyczyniło się do zwiększenia ilości wiatraków. Trwało to do początku XX wieku, kiedy konkurencyjność maszyn parowych zaczęła wypierać napęd siły wiatru.

 

W czasie zimy 1887-88 Charles F. Brush zbudował pierwszą samoczynnie działającą siłownie wiatrową produkującą energię elektryczną. Był on jednym z pionierów amerykańskiego przemysłu elektrotechnicznego. Jego firma Brush Electric, połączyła się w 1892 r. z Edison General Electric Company tworząc General Electric (GE), który dzisiaj jest jednym z największych koncernów na świecie. Jak na owe czasy turbina Brush'a była imponująca: wirnik miał średnicę 17 metrów i składał się ze 144 łopat zrobionych z drzewa cedrowego. Pracowała ona przez 20 lat, ładując akumulatory znajdujące się w piwnicy jego posiadłości. Moc jak na rozmiary urządzenia nie była imponująca - 12 kW, głównie za sprawą wolnoobrotowego, wielołopatowego wirnika. Dopiero kilka lat później w 1891 r. Poul la Cour (1846-1908) odkrył, że znacznie wydajniejsze dla generatorów elektrycznych są wirniki o kilku łopatach. Energię elektryczną uzyskaną z siłowni wiatrowych wykorzystywał on do procesu elektrolizy, z którego otrzymywał wodór, który służył mu do oświetlania jego szkoły.

ozewiat5.jpg

Rys. Pierwsza elektrownia wiatrowa Charlesa F. Brusha.

ozewiat6.jpg

Fot. Elektrownia Poula La Cour'a.

 

Inżynier Johannes Juul, jeden z pierwszych studentów la Cour'a, został w 1950 rwiatr25.jpgoku pierwszym konstruktorem siłowni wiatrowej z generatorem prądu przemiennego. W 1957 roku zbudował na wybrzeżu Gedser w Danii elektrownię wiatrową, której założenia techniczne do dziś są uważane za nowoczesne - siłownia o mocy 200 kW posiadała trójpłatowy wirnik zwrócony przodem do wiatru (up-wind), generator asynchroniczny, mechanizm ustawiania kierunku, hamulce aerodynamiczne oraz regulację mocy poprzez zmianę kąta natarcia łopat. (Fot. po prawej)

 

Umowne etapy rozwoju współczesnych elektrowni wiatrowych (za kryterium rozwoju przyjęto wielkość wirnika i generatora

lata 1955-1985

- średnica wirnika do 15m, małe domowe siłownie;

1985-1989

-średnica wirnika do 30m, powstanie pierwszych siłowni wiatrowych;

1989-1994

- średnica wirnika do 50 m, produkcja masowa siłowni o mocy do 600 kW;

1994-2002

- średnica wirnika ponad 50m, powstają siłownie o mocy 850kW, 1MW, 2MW

 

Obecnie największe siłownie wiatrowe znajdują się na terenie Danii, która ponad 20% mocy elektrycznej wytwarza za pomocą wiatru. Siłownia Quantum Blade posiada śmigła o długości 75 m i mocy 6MW.

ozewiat7.jpg

 

 Rys. Siłownia wiatrowa Quantum Blade ma skrzydła o łącznej rozpiętości 154m.

 

Współcześnie energię wiatru pozyskuje się na tzw. farmach wiatrowych zlokalizowanych głównie w obszarach o dużym nasileniu stałych wiatrów, jak wybrzeża morskie. Farmy takie mogą liczyć nawet kilkaset pojedynczych siłowni i posiadać łączną moc porównywalną z typową elektrownią na paliwo stałe. Do niedawna największą na świecie elektrownią wiatrową na morzu była  "London Array"  w Wielkiej Brytanii. o mocy 630 MW. Prąd wyprodukowany z jej turbin pozwalał na zasilenie pół miliona brytyjskich domów.
"London Array" to wspólna inwestycja niemieckiej spółki E.ON, duńskiego Donga i Masdar (Zjednoczone Emiraty Arabskie). Farma zlokalizowana jest 20 km od wybrzeża hrabstwa Kent. Budowa elektrowni rozpoczęła się w marcu 2011 roku, a pierwsze megawaty wyprodukowano w kwietniu 2013 roku. Ten rekord zostł pobity w ubiegłym ro2019 roku przez duńską firmę Orsted, która wybudowała farmę Hornsea One o mocy aż 1,218 GW, 100km od brytyjskiego hrabstwa Yorkshire


 

 

Na dzień pisania tego artykułu największą pojedynczą pracującą turbiną na świecie jest model Heliade -X o mocy 12 MW firmy General Electric. Poniżej imponująca gondola z zamocowaną piastą. Wirnik turbiny Heliade -X ma średnicę 220m i największe 107m długości płaty. Całkowita wysokość wieży z wirnikiem wynosi  260m

ozewia278.jpg

 

 

Ten rekord może być wkrótce pobity przez firmę Simens Gamesa, która planuje bezprzekładniową turbinę w technologii Direct Drive, o mocy 14MW. Długość łopat w elektrowni wiatrowej SG 14-222 DD wyniesie 108 metrów, a średnica łopat wirnika ma osiągnąć 222 metry.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});