Historia rozwoju wykorzystania energii wiatru

Energia wiatru była wykorzystywana już ponad tysiąc lat p.n.e., o czym świadczą m.in. kamienne pozostałości odkryte w Egipcie, a także tzw. wiatraki perskie o pionowej osi obrotu wirnika (ok. 640 r. p.n.e. na granicy persko-afgań­skiej), które były wykorzystywane do mielenia zbóż. Wzmianki na temat urzą­dzeń wykorzystujących energię wiatru pochodzą także z kodeksu Hammura­biego (z ok.1750 roku p.n.e.).

Pierwsze wzmianki źródłowe o młynach wietrznych w Europie pochodzą z VIII (wiatraki czteroskrzydłowe) i XII wieku (1180 r.) tzw. wiatrak kozłowy (Normandia). Wiatraki z tego okresu miały wysokość do 10 metrów i posiadały kilka łopat o długości ok. 6 metrów.

Koniec ery wiatraków które były głównie wykorzystywane do mielenia ziarna i napędu pomp nastąpił z końcem XIX wieku m.in. w związku z nadej­ściem ery maszyn parowych, zastosowania silników spalinowych i postępującej elektryfikacji.

Jednak jednocześnie wraz z odkryciem elektryczności rozpoczęły się próby zastosowania wiatraków do produkcji energii elektrycznej. Pierwsza elektrow­nia wiatrowa (już nie wiatrak) skonstruowana do wytwarzania energii elek­trycznej powstała w latach 1887-1888 (konstrukcja Charles’a F. Brusch-a), a kolej­ne w roku (1891 r) Poul La Cour .

Po II wojnie światowej na skutek niskich cen ropa naftowa i gaz ziemny zaczęły odgrywać coraz większe znaczenie w światowym przemyśle, co spo­wodowało spadek zainteresowania alternatywnymi źródłami energii, w tym energią wiatru. Dopiero kryzys energetyczny w latach 70. XX wieku skierował ponownie uwagę w stronę odnawialnych źródeł energii. Zaczęto szukać roz­wiązań problemów związanych z produkcją energii elektrycznej w elektrow­niach wiatrowych na skalę przemysłową (problemy ekonomiczne, techniczne i materiałowe).

Właśnie wtedy zaczęto konstruować szereg prototypów elektrowni wia­trowych dużych mocy, których tylko część odniosła sukces (tabela 1). Jednak zdobyte doświadczenie pozwoliło na stworzenie niezawodnych komercyjnych elektrowni wiatrowych dużych mocy (tabela 2). Dzięki temu pod koniec XX wieku nastąpił powrót wiatraków, jako elektrowni wiatrowych, które wróciły niejako wspomagając systemy elektroenergetyczne, które poprzednio spowodo­wały ich wyparcie.

Tabela 1. Konstrukcje prototypowe dużych mocy

Źródło: Soliński I, Soliński B. Elektrownie wiatrowe – czysta energia XXI wieku, w Zielone prądy w edukacji, 3 ed., red. Małgorzata Śliwka, Mateusz Jakubiak, Wyd, PTIE. Kraków 2008.

 

Obecnie stosowane typowe komercyjne elektrownie wiatrowe można scha­rakteryzować następująco:

• najczęściej wykorzystuje się elektrownie wiatrowe o poziomej osi obro­tu wirnika z trzema łopatami,
• stosowane są generatory asynchroniczne (prędkość synchroniczna 1500 i 750 obr/min., w celu dostosowania prędkości wirowania do prędkości kół wiatrowych stosuje się przekładnię ok. 60, napięcie znamionowe 690 V),
• elektrownie są przyłączane do sieci średniego napięcia (10-40 kV) z tego powodu wyposażane są w transformatory blokowe,
• zakres mocy znamionowych wytwarzanych elektrowni sięga od kilku­set kW do kilku MW,
• elektrownie wiatrowe grupowane są w farmy, których moc sięga od kil­kunastu MW do kilkudziesięciu a nawet kilkuset MW,
• wieże elektrowni wiatrowych mają wysokość ok. 80-130 m, istnieją też konstrukcje o wysokości sięgającej do 200 m,
• średnica wirnika waha się w granicach 80-150 m,
• zakres prędkości roboczych od 3-4 m/s (start) do 25 m/s (wyłączenie),
• moc znamionowa najczęściej jest osiągana przy prędkości wiatru 12-16 m/s,
• prędkość obrotu wirnika w nowych konstrukcjach nie przekracza 30 obr/min (najczęściej wynosi kilkanaście obr/min), jednak koniec łopaty wirnika osiąga prędkości 60 m/s (216 km/h) w stanie pracy ustalonej.

Badania nad nowymi rozwiązaniami wciąż trwają, czego przykładem jest skonstruowana prototypowa turbina wiatrowa (w roku 2007) o mocy 7,5 MW firmy Enercon E-126, której charakterystykę przedstawiono w tabeli 2. W ra­mach projektu demonstracyjnego „7-MW-WEC-by-11“ realizowanego w ramach 7 Programu Ramowego – który miał na celu ukazanie możliwości ekonomicz­nego wykorzystania turbin dużych mocy zainstalowanych w farmie wiatrowej – w roku 2010 roku w miejscowości Estinne w Belgii – zostało zainstalowane jedenaście takich turbin o mocy 6 MW i 7,5 MW. Wysokość wieży tej turbiny wynosi 135 m, a średnica wirnika 126 m, więc w najwyższym punkcie łopata wirnika sięga na wysokość 198 m.

Tabela. 2. Komercyjne konstrukcje turbin wiatrowych dużej mocy

Tabela 2 przedstawia także wszystkie kon­strukcje elektrowni wiatrowych o dużych mocach, które zostały już zainstalo­wane, bądź ich instalacja nastąpi w przyszłości.