Rozwój energetyki wiatrowej

1. Historia energetyki wiatrowej

 


Zainteresowanie człowieka energią wiatru towarzyszy ludzkości od początku istnienia na Ziemi. Początkowe wiatraki używane były do mielenia ziarna i pompowania wody. Egipcjanie 2000 lat przed naszą erą wykorzystywali energię wiatru do napędu swoich łodzi. W Indiach 400 lat p.n.e. powstał pierwszy opis zastosowania wiatraku do transportowania wody, 200 lat p.n.e w Chinach stosowano wiatraki w kształcie kołowrotów do nawadniania pól uprawnych. Na początku naszej ery wiatraki pojawiły się w Chinach oraz krajach basenu Morza Śródziemnego. Rok 644 n.e. uznany został za datę pierwszej udokumentowanej wzmianki o wiatrakach.
Od VI wieku naszej ery Persowie mieli ziarno, używając do tego celu młynów wiatrowych. W przeciwieństwie do konstrukcji, które rozpowszechniły się w Europie, perskie wiatraki miały skrzydła poruszające się w płaszczyźnie poziomej na pionowym wale.
W VIII wieku w całej Europie pojawiły się wiatraki, w których wykorzystywano cztery skrzydła. Specjalistami w budowie tego typu byli Holendrzy.Na rok 1390 datuje się powstanie pierwszego czteroskrzydłowego wiatraku - pierwszego holendra, zbudowanego przez holenderskiego konstruktora aby usprawnić proces mielenia zboża. Rozwój holendrów przypadł w Europie dopiero za jakiś czas. XVII wiek przynosi w Europie upowszechnienie się wiatraka holenderskiego, posiada on sztywną konstrukcję, obracalną bryłę dachu o podstawie kołowej, która mogła obracać się wokół, dzięki czemu skrzydła ustawiały się zawsze w kierunku prostopadłym do kierunku wiatru. Holendry drewniane posiadały budynek na rzucie ośmioboku a holendry murowane na rzucie koła. W roku 1745 angielski konstruktor Edmund Lee wprowadza w budowie wiatraka pomocnicze koło kierujące automatycznie wiatrak w stronę wiatru.
W roku 1850 młyny napędzane energią wiatru pracowały z ogólną mocą około 1TW.
Pod koniec XIX wieku rozwój maszyny parowej spowodował wyparcie napędu wiatrowego z wielu dziedzin życia gospodarczego, co przyczyniło się do zastoju tej dziedziny techniki. W tym czasie na terenie Danii pracowało 30 000 młynów, podobna ilość wiatraków była ówcześnie także w Holandii.

Wiatrak Ch.F.Brush'aW roku 1888 Charles F. Brush zbudował w Stanach Zjednoczonych pierwszą samoczynnie działającą siłownię wiatrową o mocy 12kW produkującą energię elektryczną. Konstrukcja Amerykanina miała 17m średnicy i posiadała 144 drewniane łopaty, dostarczała przez okres około 20 lat energii do ładowania akumulatorów. Na świecie w tym samym czasie wielu konstruktorów oraz zwykłych pasjonatów pracowało nad konstrukcją przydomowej turbiny wiatrowej, już wtedy szukano także sposobu na komercyjne wykorzystanie energii wiatru.
Duński pionier energetyki wiatrowej i aerodynamiki Poul la Cour zastosował energię elektryczną z siłowni wiatrowej do produkcji wodoru w procesie elektrolizy. Wygenerowany wodór służył jako paliwo do lamp gazowych w celu oświetlania szkoły. Silny początkowo rozwój małej energetyki wiatrowej w Stanach Zjednoczonych czy Europie został zahamowany przez ogólnoświatowy kryzys gospodarczy w latach trzydziestych XX wieku a następnie przez II wojnę światową.

W 1950 roku inżynier Johannes Juul jako pierwszy skonstruował siłownię wiatrową z generatorem prądu przemiennego. Jego kolejne rozwiązania konstrukcyjne zawarte w elektrowni wiatrowej o mocy 200 kW zbudowanej w 1957 roku na wybrzeżu Gedser w Danii wykorzystywane są do dzisiaj. Turbina Gedsera przez 11 lat pracowała podłączona do sieci. Awaria turbiny nastąpiła w roku 1960, następnie turbina zakupiona została przez amerykańską agencję NASA, która wykorzystała ją w badaniach nad rozwojem nowych technologii.
W 1960 roku na świecie wykorzystywano ponad 1 milion siłowni wiatrowych. Ponowny wzrost zainteresowania szerszym wykorzystaniem energii wiatru do celów energetycznych miał miejsce po kryzysie energetycznym w latach 70. W latach 80 XX wieku nastąpił rozwój przemysłowej energetyki wiatrowej. Na przestrzeni kilkunastu lat dopracowano nowe rozwiązania techniczne w zakresie budowy siłowni wiatrowych. W Niemczech profesor Ulrich Hutter w krótkim czasie skonstruował serię prototypowych, horyzontalnych urządzeń o zmiennym ustawieniu kątów natarcia skrzydeł. W Stanach Zjednoczonych po kryzysie energetycznym rząd federalny wprowadził energetykę wiatrową do krajowego programu badań i rozwoju. USA korzystało w tych pracach z technologii wojskowych i najnowszych osiągnięć techniki. W efekcie w stanie Ohio zainstalowano prototypową turbinę nazwaną MOD-0 o mocy 1 MW, a następnie kolejne MOD-0A i MOD-2. Agencja NASA przyczyniła się także do rozwoju energetyki wiatrowej - wybudowana przy jej współudziale turbina nad rzeką Columbia miała skrzydła o długości około 100m, niestety poza celami naukowymi zastosowane tam rozwiązania nie miały szans na wykorzystanie w masowej produkcji siłowni wiatrowych. Równolegle na świecie powstawały nowe konstrukcje generatorów, poprawiano wytrzymałość mechaniczną elementów oraz stosowano coraz to nowsze materiały. W odróżnieniu od Stanów Zjednoczonych inżynierowie w Europie skupili się bardziej na możliwości wdrożenia urządzeń energetyki wiatrowej na rynek. Konstrukcje Europejskie bazowały na turbinie Gedser'a i w największej mierze rozwijali je Niemcy i Duńczycy.

Na przestrzeni lat 60 i 70 w Europie najpopularniejsze były trójpłatowe konstrukcje o mocy z zakresu od 10 do 25 kW. W tamtych czasach większość konstrukcji była dziełem pasjonatów, przykładem może być konstruktor Christian Riisager, który w latach 1974-1979 wybudował około 30 turbin wiatrowych. Po roku 1980 duńskie zakłady energetyczne podjęły decyzję o seryjnej budowie maszyn o generatorach 660 kW. Niestety praca tych maszyn okazała się całkowicie nieopłacalna pod kątem produkcji energii elektrycznej. Po pokonaniu problemu nieekonomiczności wcześniej działających elektrowni wiatrowych w latach 90 powstały pierwsze urządzenia produkujące energię na skalę przemysłową.
Zanim jednak nastąpił początek przemysłowej energetyki wiatrowej przez szereg lat zespoły inżynierów dopracowywały turbiny wiatrowe, usprawniano generatory, automatykę i elementy mechaniczne. Dzięki równoczesnemu rozwojowi innych dziedzin techniki jak inżynieria materiałowa, nowe technologie, elektrotechnika itp. można było w krótkim czasie wypuścić na rynek turbiny coraz większe i bardziej wydajne a zarazem mniej awaryjne. Pojawiły się turbiny o mocy początkowo 600 kW, następnie 800 kW a w końcu przekroczono wielkość 1MW.
Obecnie generatory osiągają wielkość rzędu kilku megawatów (np. ENERCON E112 o mocy 4,5 MW).

 

Turbina
Vestas V.90 3MW
foto:Vestas A/S

Turbina MOD-0A
foto: telosnet.com

Enercon E112 4.5 MW
foto : enercon.de

 

2. Etapy rozwoju energetyki wiatrowej na świecie .

1955 - 1985
1986-1990
1990-1994
1994-2004

Małe przydomowe siłownie wiatrowe o średnicy wirnika : do 15 m; trwają poszukiwania rozwiązań problemów teoretycznych, technologicznych i konstrukcyjnych ; na świecie brak międzynarodowych standardów

Średnica wirnika dochodzi do około 30 metrów. Pierwsze seryjne siłownie wiatrowe produkowane na szerszą skalę. Początki tworzenia standardów przemysłowych.

Średnica wirnika siłowni od 30 do 50 m. Produkcja masowa siłowni o mocy 600kW.

Średnica wirnika ponad 50 m. Przyspieszenie rozwoju technologicznego. Powstają w krótkim okresie czasu kolejno siłownie o mocy 850kW, 1MW, 1.5MW, 2MW i więcej.

3. Historia wiatraków w Polsce.

W naszym kraju pierwsze wiatraki zwane koźlakami powstały w Wielkopolsce i na Kujawach już w pierwszej połowie XIV wieku. Powszechne ich zastosowanie przypadło jednak na wiek XV. Koźlaki zwane także wiatrakami kozłowymi posiadały specyfikę swojej budowy - miały zdolność do obrotu łącznie ze skrzydłami wokół pionowego słupa zwanego sztembrem.
Wiatraki holenderskie od XVIII wieku pojawiły się w głównie na zachodnich i północnych częściach Polski.
W roku 1942 oszacowano, że w Polsce pracuje około 6360 wiatraków.
Pierwsza nowoczesna turbina wiatrowa firmy Nordtank o mocy 150kW powstała w Polsce w województwie pomorskim w Lisewie w roku 1991. Użytkownikiem elektrowni jest Elektrownia Żarnowiec.

4. Rozwój i stan obecny energetyki wiatrowej w Polsce.

Od kilku lat możemy zaobserwować rozwój rynku elektrowni wiatrowych w Polsce. Początki tego rozwoju sięgają początkom lat 90, kiedy to wybudowano w 1991 roku pierwszą elektrownie wiatrową w Lisewie. Kolejnymi
inwestycjami na pomorzu była elektrownia w Swarzewie wyprodukowana przez Folkecenter.
W grudniu 1993 roku nowosądecka firma Nowomag uruchomiła pierwszy polski prototyp elektrowni wiatrowej o nazwie EW100-22-20NOWOMAG na stanowisku testowym na górze Polom w Rytrze.
W ciągu następnych lat powstawały w Polsce kolejne głównie pojednycze siłownie wiatrowe. Pierwsza w Polsce farma wiatrowa powstała w roku 1999 w miejscowości Cisowo koło Darłowa. Farma liczy 5 elektrowni wiatrowych SeeWind o łącznej mocy 660 kW. W roku 2001 w tym samym miejscu wybudowano kolejne 9 elektrowni firmy Vestas.
Największą w Polsce inwestycją w energetykę wiatrową jest budowa w roku 2002 największego w naszym kraju parku wiatrowego liczącego 15 elektrowni Vestas o mocy 2MW każda. Użytkownikiem farmy jest firma Elsam A/S.
W miejscowości Tymień planuje się wybudować park wiatrowy o łącznej mocy 50 MW.

W porównaniu z innymi państwami UE mającymi zbliżone do naszych warunki wiatrowe Polska niestety jest daleko w tyle. W roku 2004 na terenie naszego kraju pracowało ponad 60 elektrowni wiatrowych włączonych w krajowy system elektroenergetyczny (KSE), a łączna ich moc zainstalowana wynosiła 63 MW (dane EWEA) . Dla porównania Niemcy w tym samym czasie mają w krajowym systemie energetycznym ponad 12 000 MW mocy z energetyki wiatrowej.

5. Perspektywy rozwoju i priorytety badawcze w rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce.

Aby energetyka wiatrowa mogła rozwijać się w Polsce powinno podjąć się działania w zakresie opracowania systemu zbierania, archiwizacji oraz udostępniania danych o zasobach energii wiatru, opracowanie Atlasu zasobów energii wiatru w Polsce na podstawie nowych badań. Opracowanie systemu krótkoterminowej prognozy produkcji energii z działających elektrowni wiatrowych dla potrzeb zakładów energetycznych oraz wdrożenie do Krajowego Programu Badań i Rozwoju zagadnień związanych z energetyką wiatrową. Znaczące zasoby energii wiatru, oszacowane w sposób ogólny w warstwie klimatycznej. Duża ilość projektów przygotowywanych (o różnej jakości i często we wstępnej fazie przygotowania) Konieczność rozwoju i dostosowania do warunków polskich metod projektowania i optymalizacji parków wiatrakowych.
Konieczność korelacji rozwoju infrastruktury elektroenergetycznej (w perspektywie średniookresowej) z rozwojem energetyki wiatrowej
Zmniejszenie niestabilności dostaw energii z EWi - zagadnienia prognozowania produkcji i magazynowania energii (wodór) oraz sterowania elektrowni wiatrowych
Rozwój sektora wytwórczego - produkcja komponentów do elektrowni wiatrowych (np. prądnic) lub nowych konstrukcji.

 

 
energetyka wiatrowa 2007