Energia wiatru

Co to jest wiatr?

Do różnych obszarów Ziemi dociera różna ilość promieniowania słonecznego. Jak wiemy, okolice równika nagrzewają się o wiele bardziej niż strefy okołobiegunowe. Gdy lekkie, gorące powietrze z rejonu równika ucieka w górę, na jego miejsce napływają fale chłodnego powietrza znad biegunów. Tak powstaje wiatr - ruch powietrza, spowodowany różnicami temperatur i ciśnień, a także działaniem związanej z obrotowym ruchem Ziemi siły Coriolisa. Gdyby nie zakrzywiająca tor wiatru siła Coriolisa, zwana też geostroficzną, powietrze przemieszczałoby się w linii prostej, wędrując od obszarów wysokiego ciśnienia ku terenom o ciśnieniu niskim.

Rodzaje wiatrów

Najniższe ciśnienie panuje nad równikiem. Powietrze, które odpływa znad tego „równikowego pasa ciszy” opada następnie na ziemię w okolicach zwrotników (szerokość geograficzna mniejsza niż 30 stopni), a stamtąd rozprzestrzenia się na północ i na południe w postaci stałych wiatrów zachodnich i zwanych też pasatami stałych wiatrów wschodnich. To jednak nie te, globalne wiatry, lecz charakterystyczne dla danego obszaru wiatry lokalne mają największy wpływ na pogodę na danym terenie. Polskim wiatrem lokalnym jest występujący w Sudetach i Karpatach wiatr halny, który jest jednocześnie przykładem wiatru górskiego, powstającego ze względu na różnice w nagrzewaniu się stoków górskich i dolin. W dzień wyższe temperatury panują na górskich zboczach, podczas gdy nocą to doliny zatrzymują więcej ciepła.

Historia

Energia wiatru znajduje zastosowanie od bardzo dawnych czasów. Już 4000 lat temu starożytni Babilończycy pompowali wodę przy pomocy wiatraków, nawadniając pola i osuszając mokradła, o wiele wcześniej zaś wykorzystywano wiatr w żegludze. Od VI wieku Persowie mełli ziarno w młynach wiatrowych.

W VIII wieku w Europie pojawiły się duże czteroskrzydłowe wiatraki, wykorzystywane przez Holendrów do wypompowywania wody z obszarów nisko położonych. Wraz z odkryciem elektryczności energia wiatru znalazła nowe zastosowanie: pod koniec XIX wieku podjęto pierwsze próby wykorzystania jej do produkcji prądu, zaś do roku 1960 na świecie działało już ponad milion siłowni wiatrowych.

Zainteresowanie energią wiatru, tak jak i innymi odnawialnymi źródłami energii wzrosło w następstwie kryzysu energetycznego z 1973 roku. Od tego czasu na całym świecie zainstalowano ponad 50 000 turbin wiatrowych, a energetyka wiatrowa jest jedną z najdynamiczniej rozwijających się gałęzi przemysłu.

Europa - światowy lider

Światowy potencjał energii wiatru jest całkiem spory. W roku 2005 holenderscy naukowcy stwierdzili, że do roku 2020 energia wiatru mogłaby zaspokoić 12% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Współcześnie szybki rozwój energetyki wiatrowej następuje zwłaszcza na terenie Europy. W roku 2004 w krajach starej Unii Europejskiej moc zainstalowana elektrowni wiatrowych zwiększyła się o 20,3% w stosunku do roku 2003 i wynosiła 34 366 MW - blisko trzy czwarte światowej mocy zainstalowanej.

Europejskim liderem w wykorzystywaniu energii wiatru pozostają Niemcy, które w 2001 roku dysponowały aż 46,1% światowej mocy zainstalowanej , jednak w  roku 2004 najwięcej mocy zainstalowanej przybyło w Hiszpanii – kraju o ponadprzeciętnej prędkości wiatru (do 10m/s) i znakomitych warunkach do rozwoju energetyki wiatrowej. Spośród nowych członków UE największą ilość mocy zainstalowanej – 68,1 MW - posiada Polska, jednak w roku 2004 nasz kraj zwiększył swój potencjał tylko o ponad 11%, podczas gdy w innym nowym państwie Unii – w Estonii – zasoby mocy zainstalowanej wzrosły aż o 583,8%.

Warunki

Żeby móc wykorzystywać energię wiatru do produkcji prądu niezbędne są odpowiednie warunki, to znaczy stałe występowanie wiatru o określonej prędkości. Elektrownie wiatrowe pracują zazwyczaj przy wietrze wiejącym z prędkością od 5 do 25 m/s, przy czym prędkość od 15 do 20 m/s uznawana jest za optymalną. Zbyt małe prędkości uniemożliwiają wytwarzanie energii elektrycznej o wystarczającej mocy, zbyt duże zaś – przekraczające 30 m/s – mogą doprowadzić do mechanicznych uszkodzeń wiatraka. Najodpowiedniejsze warunki dla energetyki wiatrowej istnieją zazwyczaj w okolicach nadmorskich – takich jak na przykład Dolna Saksonia, skupiająca ponad 40% niemieckich elektrowni wiatrowych - i na terenach podgórskich. W naszym kraju obszary szczególnie sprzyjające wykorzystywaniu energii wiatru to województwa pomorskie i zachodniopomorskie, gdzie obecnie, w miejscowości Tymień powstaje największa polska farma wiatrowa – zakład o mocy 50 MW, który będzie oddany do użytku w czerwcu 2006 roku. Jak ustalili meteorolodzy, w okolicach Tymienia przez około 300 dni w roku wieje silny wiatr. 

Zalety i wady



Energia wiatru jest odnawialnym źródłem energii (OZE) - niewyczerpywalnym i niezanieczyszczającym środowiska. Nie znaczy to jednak, że jest dla środowiska neutralna. Jak się okazuje, elektrownie wiatrowe mogą wywierać negatywny wpływ na otoczenie – na ludzi, na ptaki, na krajobraz. Problemem jest na przykład wytwarzany przez turbiny wiatrowe stały, monotonny hałas o niskim natężeniu, niekorzystnie oddziaływujący na psychikę człowieka. By zneutralizować jego wpływ, wokół masztów elektrowni wiatrowych wyznacza się strefę ochronną o szerokości 500 metrów. Inna kwestia to niebezpieczeństwo, stwarzane przez elektrownie wiatrowe dla ptaków. Mimo, że zdania naukowców w tej sprawie są podzielone i - jak utrzymują niektórzy – migrujące ptaki umieją omijać elektrownie, inni szacują, że farma wiatrowa o mocy 80 MW może zabić nawet 3500 ptaków w ciągu roku. Na koniec wspomnieć należy także o ujemnym wpływie wywieranym przez elektrownie wiatrowe na krajobraz: zajmują one duże powierzchnie i zlokalizowane są często w turystycznych rejonach nadmorskich i górskich.

 
Źródła:

·         Biopaliwa, red. P. Gradziuk, 2003

·         Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, publikacja EC BREC/IBMER, 2003

·         www.atmosphere.mpg.de

·         www.pogoda.x.wp.pl

·         www.ewea.org

·         www.energies-renouvelables.org

·         www.darvill.clara.net

·         www.proekologia.pl

·         www.zielonaenergia.pl

·         www.international.niedersachsen.de

·         Ludzkość w poszukiwaniu energii, 21 odkryć XXI wiek – dodatek do Gazety Wyborczej

·         www.suisse-eole.ch

·         www.windpower.org

Pomiary wiatru

Osiągnięcia antycznych żeglarzy – na przykład opłynięcie Afryki przez flotę egipsko-fenicką na przełomie VII i VI wieku p.n.e. – świadczą o tym, że już w czasach starożytnych umiano dokonywać pomiarów wiatru, zwłaszcza zaś określać jego kierunek. Najstarszym zachowanym świadectwem tej umiejętności jest wzniesiona w 100 roku p. n. e. w Atenach marmurowa Wieża Wiatrów, pozwalająca wyznaczać kierunek wiatru w ośmiu wyróżnionych płaskorzeźbami sektorach. Kierunek wiatru wskazywał trzymanym w ręce prętem ruchomy posąg bóstwa morskiego – Trytona, umieszczony na szczycie wieży. Z kolei najstarszym urządzeniem, służącym do mierzenia prędkości wiatru był poziomy wiatrak do wyciskania winogron, używany w VII wieku w Persji. Prędkość wiatru określano licząc jego obroty.

Prędkość i kierunek

Współcześnie do mierzenia prędkości i kierunku wiatru wykorzystuje się różnego rodzaju wiatromierze, z których najprostszym jest wiatromierz Wilda. Składa się on z pierścienia z ośmioma wskazującymi kierunki świata prętami, osadzonego na pionowo ustawionym pręcie, zaopatrzonym w chorągiewkę kierunkową i we wskazującą prędkość metalową płytkę. Kierunek wiatru określa się na podstawie położenia chorągiewki względem prętów kierunkowych, prędkość wyznacza zaś wielkość spowodowanego przez wiatr odchylenia płytki od pionu. Do ustalania prędkości wiatru stosuje się też umowną skalę Beauforta, używaną również do oceniania stanu morza. Jej nazwa, podobnie jak nazwa jednostki pomiarowej – stopnia Beauforta - pochodzi od nazwiska angielskiego admirała Francisa Beauforta, który w 1805 roku sporządził pierwszą wersję skali.

Skala Beauforta

Kierunek wiatru

Z kolei kierunek wiatru (czyli ten, z którego wiatr wieje) ustala się bądź przy pomocy wiatromierzy kierunkowych, bądź też korzystając z używanej również do określania kierunku prądów morskich i kursu statków róży wiatrów. Róża wiatrów to rysunek, przedstawiający 8 lub 16 kierunków świata z zaznaczonymi skrótowo nazwami.

Oznaczenia stosowane w ośmiokierunkowej róży wiatrów

Róże wiatrów powszechnie umieszczano na XIV – XVIII – wiecznych mapach nawigacyjnych.

Źródło:

·         A. Maciążek, Pomiary wiatru, Gazeta Obserwatora IMGW, nr 3, 2005

Wykorzystanie

Wykorzystanie w Polsce

W roku 2003 w naszym kraju pracowało około 40 profesjonalnych siłowni wiatrowych, sprzedających energię elektryczną do sieci, a największą polską farmą wiatrową był posiadający dziewięć elektrowni wiatrowych park w Cisowie koło Darłowa. Moc zainstalowana każdej elektrowni w tym parku wynosi 2 MW, a wysokość turbiny wraz ze skrzydłami - 118 m.

Rozmieszczenie elektrowni wiatrowych na terenie Polski - stan na XII 2001 r. (za EC BREC)

Z biegiem czasu i wraz z postępem technicznym zwiększa się moc i rozmiar konstruowanych turbin. Na przykład w Niemczech pod koniec roku 2000 moc zainstalowana przeciętnej siłowni wiatrowej wynosiła 1120 kW, wysokość do 71 m., a średnica wirnika do 58 m., podczas gdy w 1991 roku liczby te wynosiły odpowiednio: 165 kW oraz 31 i 23 m.

Rokład produkcji energii w elektrowniach wiatrowych na początku 2005 roku

Europa

Ameryka Północna

Azja

Rejon Pacyfiku