Historia elektrownii wiatrowych(1).pdf

Kiedy człowiek próbując ujarzmić siły natury odkrył i wiatr.

Ludzie od dawien dawna zainteresowani byli korzystaniem z bogactw, którymi obdarzyła

ich matka natura. Początkowo starano się wykorzystać te, które znajdowały się najbliżej i

których eksploatacja była najłatwiejsza, zaczynając od upraw płodów rolnych, poprzez

wydobycie bogactw mineralnych, a skończywszy na sztucznej regulacji wód. Od początku

również wiedziano, że także wiatr niesie za sobą siłę. Niestety siła ta, choć olbrzymia, to

jednak przez wiele lat pozostawała nieujarzmiona i niszczycielska. Burzyła to co człowiek

zbudował, zatapiała statki, którymi wyruszał na połów, sprowadzała nad jego dom

wichury. Minęło wiele lat zanim człowiek ujarzmił wiatr i nauczył się wykorzystywać go

dla własnych celów.

Na najdawniejsze ślady eksploatacji wiatru natrafiono na terenach dawnej Persji.

Prawdopodobnie urządzenia napędzane energią wiatru już w 600 roku naszej ery

wykorzystywane były do transportu wody. Choć naukowcy nie są w stanie odtworzyć

technicznych rozwiązań zastosowanych do pompowania wód, to przekazy pisemne zdają

się potwierdzać istnienie wertykalnych wiatraków, w których górna część, napędzana

wiatrem, wystawała ponad lustro wody, a poruszane jej siłą łopaty wprawiały w ruch masy

wody. Podobne konstrukcje budowane były również w Chinach. Na pierwsze wzmianki o

wykorzystywanych głównie do mielenia ziarna i transportu wody urządzeniach możemy

natrafić w publikacjach z 1200 roku. Według antycznych kronikarzy urządzenia te były tak

popularne niektórych prowincjach, że nie dane było spotkać pola na którym nie byłoby

mniej niż tysiąc wiatraków. Biorąc nawet pod uwagę zamiłowanie starożytnych do dużych

liczb i umiejętność do ubarwiania rzeczywistości, to trzeba przyznać, że na pewno były

one stałym elementem krajobrazu w tych częściach kraju, gdzie wartkie i płytkie

strumienie umożliwiały ich wykorzystanie.

Inne rozwiązania, choć mające podobny cel, stosowano w tym samym czasie w Europie.

Budowane turbiny montowane były jednak w systemie horyzontalnym. Jaka była

przyczyna przyjęcia takiego akurat rozwiązania tak naprawdę nie jest wiadomo. Na pewno

Europejczycy mieli okazje obserwować prace urządzeń w Azji i na pewno z

zastosowanych tam rozwiązań korzystali. Być może jednym z powodów odmiennego

podejścia była bardziej efektywna praca urządzeń horyzontalnych. Jednym z najstarszych,

zresztą istniejących do dziś urządzeń, jest czteroramienny wiatrak datowany na 1390 rok.

Jego twórcą był najprawdopodobniej nieznany holenderski konstruktor, którego celem

było usprawnienie pracy przy mieleniu zboża. Nowością nie tylko była sama konstrukcja,

której skrzydła montowane były na szczycie murowanej wieży, ale również pomysł i

przeznaczenie urządzenia. Był to prawdopodobnie pierwszy krok w kierunku

poszukiwania lepszych warunków wietrzności. Już wtedy musiano zdawać sobie

doskonale sprawę, że im wyżej nad poziomem terenu, tym mocniej wieje wiatr. W wieży

mieściły się ponadto magazyny na ziarno, jak również izba mieszkalna dla młynarza i jego

rodziny. Zarówno same skrzydła, jak i część ruchoma wiatraka musiały być ustawiane

ręcznie w kierunku wiatru. Zapewniało to zajęcie samemu młynarzowi oraz całej jego

rodzinie. To nie był jedyny system sterowania. Optymalizacja prędkości wiatraka

odbywała się za pomocą zwijanych żagli montowanych na końcach skrzydeł. W podobny

sposób, poprzez ściągnięcie płacht, zabezpieczało się młyn przed uszkodzeniami podczas

burzy i wichury. Dzisiejszym odpowiednikiem trzynastowiecznej technologii jest

sterowany komputerowo system parkowania śmigieł w pozycję "chorągiewki". Kiedyś

musiał to robić człowiek. Konstrukcja śmigieł przez wiele lat była zresztą najsłabszą

częścią budowli. Narażone one były na zniszczenia, a ich częsta wymiana stawała się

głównym zajęciem pracującego właściciela. Stąd też pierwsze udoskonalenia w

przyszłości szły w kierunku poprawy jakości i wytrzymałości tej właśnie części

urządzenia.

Przez kolejne 500 lat poszukiwano nowych rozwiązań mechanicznych. W międzyczasie

pojawiły się urządzenia wyposażone w rozwiązania technologiczne z powodzeniem

stosowane do dziś: aerodynamiczne hamulce czy łopatki i klapy hamujące. Nadal jednak

efektem pracy wiatraków była siła mechaniczna wykorzystywana najczęściej do mielenia

zboża. Zapewne również, wraz z rozwojem konstrukcji, popoprawiał się standard życia

zamieszkującego we wnętrzu wiatraka młynarza. Jedna z zachowanych do dziś konstrukcji

we Francji w swoim środku kryje ni mniej ni więcej ale dwie izby mieszkalne i tyleż

pomieszczeń gospodarczych.

Z czasem pojawił się i prąd.

Początki wykorzystania siły wiatru do produkcji energii elektrycznej datowane są na

koniec XIX wieku, kiedy to duński meteorolog i wynalazca Poul la Cour rozpoczął

eksperymenty mające na celu znalezienie sposobu konwersji energii mechanicznej na

energię elektryczną. Nie dane mu było jednak ukończyć swego dzieła. Ze względu na

skomplikowaną sytuację międzynarodową i zbliżający się ogólnoświatowy konflikt prace

zostały przerwane. W tym samym czasie w Cleveland w Stanach Zjednoczonych

zbudowany został system oparty o urządzenie wykorzystujące siłę wiatru, którego celem

była również produkcja energii elektrycznej. Maszyna zaprojektowana przez Charlesa

Brusha składała się z olbrzymiej ilości skrzydeł połączonych ze sobą poprzecznie tak, że

tworzyły niemal jedną powierzchnię o średnicy blisko 17 metrów. Do sterowania

kierunkiem położenia skrzydeł służył olbrzymi ogon podobny do tych, w jakie obecnie

wyposażane są szybowce. Było to pierwsze urządzenie na świecie wykorzystujące tak

zaawansowaną technologię na tamte czasy jak przekładnia o stosunku przełożenia 50:1.

Nie da się jednak ukryć, że była to jednocześnie jedna z najbrzydszych konstrukcji jaką

udało się stworzyć człowiekowi w tamtym okresie.

Niemalże w tym samym czasie tysiące pasjonatów na całym świecie pracowało w

przydomowych warsztatach nad konstrukcją turbiny wiatrowej do zastosowań domowych.

Jeszcze większa ilość inżynierów zastanawiała się nad możliwością komercyjnego

wykorzystania takich rozwiązań. Systemy o mocy kilku kilowatów w tamtym okresie były

zdecydowanie łatwiejsze w przygotowaniu i montażu niż gigantyczne prototypy panów la

Cour i Brusha. Stąd też relatywnie szybko pojawiły się na rynku komercyjne firmy

oferujące urządzenia działające na skalę przemysłową. Głównym zastosowaniem małych

turbin wiatrowych było zasilanie w elektryczność domowych urządzeń amerykańskich

farmerów w miejscach ich zamieszkiwania. Dostęp do energii elektrycznej był dla nich

często kluczowym problemem z jakim się zmagali, a jak wiadomo w kapitalizmie

zapotrzebowanie rodzi produkcję. Nierzadko urządzenia te były w stanie bezpośrednio

zasilać lodówki, zamrażarki czy też zmywarki do naczyń. Nierzadko również podłączane

one były do domowego sprzętu AGD bezpośrednio. Wymagało to olbrzymiego zaparcia

użytkowników, którzy w bezwietrzne dni musieli odłożyć na półkę wszelkie prace

domowe. Gwałtowny rozwój małej energetyki wiatrowej został jednak zahamowany przez

ogólnoświatowy kryzys gospodarczy w latach trzydziestych. Ratunkiem dla ekonomicznej

stagnacji kraju, według rządu amerykańskiego, miała być między innymi budowa sieci

linii energetycznych, które swym zasięgiem miały objąć dziewicze dotychczas tereny.

Pozwoliło to w krótkim czasie setkom amerykańskich gospodarstw na podłączenie swoich

maszyn bezpośrednio do niezawodnej linii energetycznej. Brak wiatru nie ograniczał już

pomysłowych Amerykanów w przygotowaniu gorącego obiadu po całym dniu ciężkiej

pracy. Oczywiście odbyło się to pośrednio kosztem przydomowych instalacji wiatrowych,

które znikneły niemal tak szybko jak się pojawiły.

A później przyszli Niemcy, Duńczycy ...

Po zakończeniu II Wojny Światowej emerytowany inżynier zakładów energetycznych

Johannes Juul postanowił dokończyć dzieło swojego rodaka Poula la Cour. W ciągu paru

lat wybudował kilka prototypowych turbin wiatrowych z asynchronicznym generatorem

prądu stałego. W 1956 roku powstała pod jego kierownictwem pierwsza komercyjna

instalacja. Zaprojektowana i wybudowana turbina Gedsera o mocy 200 kW przez wiele lat

pozostawała największą pracującą konstrukcją na świecie. Ustanowiła ona wiele

standardów technologicznych wykorzystywanych z powodzeniem do dziś w

nowoczesnych konstrukcjach. Warto wspomnieć m.in. o aerodynamicznym systemie

hamowania za pomocą skrzydeł turbiny uruchamianym automatycznie w przypadku

przekroczenia dopuszczalnej siły wiatru. Turbina Gedsera pracowała podłączona do sieci

przez ponad 11 lat, a kiedy w 1960 roku uległa awarii, zakupiona została przez

amerykańską agencję NASA, gdzie używana była w programie badawczym nad

przygotowaniem nowych technologii.

Również w Niemczech pracowano nad nowymi rozwiązaniami. Profesor Ulrich Hutter w

krótkim czasie skonstruował serię prototypowych, horyzontalnych urządzeń o zmiennym

ustawieniu kątów natarcia skrzydeł. Takie rozwiązanie pozwoliło w znacznym stopniu

zmniejszyć jeden z głównych problemów, z którymi borykali się duńscy inżynierowie.

Problem przeciążeń mechanicznych skutecznie ograniczał możliwość budowy urządzeń o

większej średnicy niż kilka, kilkanaście metrów. Do końca lat siedemdziesiątych

wyprodukowano blisko 200 turbin wiatrowych o średniej mocy 10 - 25 kW. Ich

konstrukcja oparta była niemal w całości na turbinie Jullsa. Różnica mocy wynikała

jedynie z trudności technicznych związanych z użyciem generatora 200kW. W tym samym

czasie przygotowywano również prototypowe turbiny o mocy 630 kW. Nie było jednak

mowy o wykorzystaniu ich do efektywnej produkcji energii elektrycznej. Ich sprawność

pozostawiała wiele do życzenia, a koszt znacznie przewyższał osiągane rezultaty.

... Amerykanie.

W tym czasie w Stanach Zjednoczonych rząd federalny postanowił wprowadzić

energetykę wiatrową do swojego programu badań i rozwoju. Jednym z głównych

powodów był kryzys energetyczny na początku lat siedemdziesiątych, który uzmysłowił

Stanom Zjednoczonym konieczność posiadania dostępu do źródeł energii niezależnych od

polityki zagranicznej oraz czynników politycznych. Zainicjowane zostały trzy niezależne

programy, w ramach których przygotowano 17 projektów turbin wiatrowych o mocy od 1

kW do 3,2 MW. Program, dzięki możliwości korzystania z dorobku przemysłu

zbrojeniowego, mógł skorzystać z dotychczasowych doświadczeń inżynierów pracujących

m.in. dla potrzeb lotnictwa wojskowego. Główny nacisk położono na realizację tych

inwestycji, które zdaniem rządu mogły przyczynić się w znaczący sposób do poprawy

bilansu energetycznego kraju, a za takie uznano te, których moc nominalna wynosiła

przynajmniej 1 MW. Pierwsza, prototypowa konstrukcja MOD-0 już wkrótce została

uruchomiona w pobliżu miejscowości Ohio. Niestety okazało się, że przy projektowaniu

popełniony został błąd, którego usunięcie trwało blisko 4 lata. Dopiero kolejne konstrukcje

MOD-0A oraz MOD-2 można było uznać za bardziej udane.

Ta druga uznana została za pierwszą prawdziwą turbinę wiatrową. Przy jej konstrukcji

brały udział tak znane firmy i instytuty jak NASA. W 1980 roku zakończona została jej

budowa, a ponad 100 metrowe skrzydła rozpostarły się nad brzegiem rzeki Columbia.

Turbina pracowała przez kilka lat, stając się poligonem doświadczalnym dla celów

badawczych. Wydaje się jednak, że jej twórcy nie traktowali jej jako podwaliny pod

komercyjne i masowe rozwiązania, skupiając się na sferze naukowej i badawczej. Wiele

zastosowanych tam rozwiązań nie miało szans stać się dostępnymi na rynku. Były zbyt

drogie i zbyt skomplikowane. Zastosowano je ponownie w kolejnym prototypie- w

elektrowni wiatrowej o mocy 3,2 MW zainstalowanej na malowniczych Hawajach. Jednak

i tym razem naukowcy z NASA poświęcili swa uwagę teoretycznym zagadnieniom

kosztem zastosowania badanych rozwiązań w praktyce. Obie turbiny spotkał ten sam los:

po kilku latach pracy, unieruchomione czekają na demontaż.

A jednak Europa.

W przeciwieństwie do Stanów Zjednoczonych Duńczycy i Niemcy nie popadali w

gigantomanię. Zamiast drogich i problematycznych konstrukcji testowych skupiono się na

takich rozwiązaniach, które z punktu widzenia ekonomiki przedsięwzięcia usprawiedliwiać

mogą wprowadzenie na rynek takich urządzeń. Duńskie i niemieckie firmy już wkrótce

oferowały na rynku komercyjne turbiny wiatrowe. Od ich amerykańskich odpowiedników

różniły je nie tylko wielkość i przeznaczenia, ale również to, że posiadały trzy skrzydła.

Genezą takiego rozwiązania była turbina Gedsera, o której zresztą była już mowa. Wtedy

jednak efektywność urządzenia nie stanowiła jej najmocniejszej strony. Po latach, dzięki

usprawnionej technologii i dobrze przemyślanej konstrukcji, sprawdziła się ona w

praktyce. W latach 60 i 70 dominowały w Europie trójpłatowe konstrukcje o mocy od 10

do 25 kW. Oczywiście mowa tu o urządzeniach pracujących i dostępnych na rynku. Co

ciekawsze, były one dziełem entuzjastów, którzy wielokrotnie nie poprzestawali na

budowie jednego urządzenia, a wprost przeciwnie wprowadzali na rynek całej serie. Jeden

z pionierów Christian Riisager w latach 1974-1978 wybudował 30 w pełni sprawnych

urządzeń. W 1980 roku era wynalazców dobiegła końca. Z inicjatywy duńskich zakładów

energetycznych, zdecydowano się na budowę serii maszyn o niewyobrażalnej jak na tamte

czasy mocy. Wyposażone one były w generatory 660 kW. Szybko jednak okazało się, że

choć maszyny te pracują, to produkcja przez nie energii elektrycznej jest całkowicie

nieopłacalna. 10 kolejnych lat zajęło inżynierom dopracowanie swoich idei i

zaprojektowanie turbiny wiatrowej, która mogłaby stać się alternatywą dla

konwencjonalnych źródeł energii. W tym czasie usprawniono część elektryczną

(generator), automatykę i, co chyba najważniejsze, część mechaniczną (problem

przeciążeń i wytrzymałości materiałów). Pozwoliło to wypuszczać na rynek coraz większe

i wydajniejsze urządzenia. Wkrótce pojawiły się turbiny o mocy 600 kW, 800 kW, 1MW

aż po dzisiejsze z generatorami rzędu kilku megawatów.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: