Rozdzial_9.pdf

Rozdział 9 Energia wiatru

Wiatr jest ruchem powietrza powstajĢcym w wyniku róŇnic temperatur

nagrzewanej przez słoıce powierzchni ziemi. Na przykład na wybrzeŇu w

ciĢgu dnia powietrze nad lĢdem ogrzewa siħ szybciej, niŇ woda w morzu.

Dlatego ruch powietrza odbywa siħ od morza do lĢdu, powodujĢc powstanie

bryzy morskiej . NocĢ jednak powietrze znad gruntu ochładza siħ szybciej niŇ

morze i płynie w odwrotnym kierunku, wywołujĢc bryz ħ l Ģ dow Ģ.

Najprostszej konstrukcji wiatrak składa siħ ze „skrzydeł”, które zamieniajĢ

energiħ wiatru na energiħ ruchu obrotowego (mechanicznĢ). ObracajĢcy siħ

wał moŇe byę wykorzystany do mielenia ziarna lub pompowania wody z

ziemi. Na suchych obszarach Ļwiata nadal stosuje siħ tego typu wiatraki -

kaŇdy podmuch wiatru pompuje wodħ, która jest magazynowana w zbiorniku

do póŅniejszego wykorzystania. Na Krecie wiatraki stosuje siħ nieprzerwanie

od prawie 5000 lat (rycina 9.1).

Rycina 9.1: Fotografia wiatraka na Krecie

WspółczeĻnie energia wiatru znajduje zastosowanie w produkcji prĢdu

elektrycznego. W tym procesie energia kinetyczna wiatru jest przekształcana

w energiħ ruchu obrotowego obracajĢcych siħ łopat, która nastħpnie jest

zamieniana w energiħ elektrycznĢ przez generator znajdujĢcy siħ za wałem

obrotowym. Od lat 90-tych firmy energetyczne stosujĢ tħ technologiħ do budowy farm wiatrowych, składajĢcych siħ z

wielkich urzĢdzeı zwanych turbinami wiatrowymi, produkujĢcych energiħ elektrycznĢ dla domów, szkół, urzħdów i

fabryk.

Dzisiejsze turbiny wiatrowe mogĢ mieę wyglĢd małych wiatraków o wysokoĻci do 1m, stosowanych w domu, bĢdŅ

bardzo duŇych maszyn przyłĢczonych bezpoĻrednio do sieci elektrycznej, stawianych pojedynczo lub w grupach,

zwanych farmami wiatrowymi.

Rycina 9.2: Mała turbina wiatrowa (mikroturbina wiatrowa „Swift”, Ņ ródło

Renewable Devices )

9.1. Wytwarzanie energii z wiatru - proces konwersji

W latach 50-tych szerokie, „Ňaglowe” skrzydła wiatraków zostały

zastĢpione sztywnymi płatami (przypominajĢcymi skrzydła samolotu),

które znacznie wydajniej wychwytujĢ wiatr, poniewaŇ cechuje je

korzystniejszy stosunek działajĢcej siły do oporów ruchu. Proces

przebiega w podobny sposób we wszystkich turbinach.

Turbina wiatrowa pracuje odwrotnie do wiatraka chłodzĢcego

pomieszczenie. Ten ostatni pobiera prĢd i wytwarza podmuch powietrza, natomiast turbina

wykorzystuje wiatr do produkcji energii elektrycznej. PoruszajĢce siħ powietrze (wiatr)

wprawia w ruch płaty (których kształt sprawia, Ňe działajĢca siła przewyŇsza opory ruchu, co

wywołuje obrót wirnika wokół osi), a te powodujĢ ruch obrotowy wału podłĢczonego do

generatora produkujĢcego prĢd (ryc. 9.3). Energia elektryczna jest przesyłana przez sieę

przewodów dystrybucyjnych do podstacji i dalej do budynków mieszkalnych, publicznych i

szkół.

Rycina 9.3: Du Ň a turbina wiatrowa

By zapewnię urzĢdzeniu odpowiedniĢ iloĻę wiatru, turbinħ umieszcza siħ na wysokiej wieŇy

(maszcie) tak, by wirnik był skierowany w stronħ, z której wiejĢ najsilniejsze i najbardziej stałe

wiatry. Przekładnia i stycznik turbiny zapewniajĢ dopływ do sieci energii elektrycznej o

odpowiedniej czħstotliwoĻci (50 Hz) i napiħciu (230 V), niezaleŇnie od zmian prħdkoĻci wiatru.

Stycznik pozostaje włĢczony do chwili, kiedy turbina nie moŇe wytworzyę wystarczajĢcej iloĻci

energii z wiatru. Wtedy wyłĢcza siħ, pozwalajĢc wirnikowi swobodnie siħ obracaę.

Rodział 9 Energia wiatru

Kiedy zmienia siħ kierunek wiatru, turbina takŇe musi zmienię połoŇenie i ustawię siħ w odpowiedniĢ stronħ. W duŇych

turbinach zmiana kierunku dokonywana jest przez silniki elektryczne, natomiast w bardzo małych turbinach dzieje siħ

to w sposób bierny i odpowiadajĢ za to wiatrowskazy znajdujĢce siħ w tylnej czħĻci urzĢdzenia (rycina 9.2).

9.2 Charakterystyka konstrukcji turbin wiatrowych

Podstawowe parametry konstrukcyjne turbin to:

•

liczba płatów; trzy sĢ optymalne dla zrównowaŇenia wirnika

•

długoĻę płatów; moc turbiny wzrasta z powierzchniĢ zagarnianego powietrza (tj. z kwadratem długoĻci)

• połoŇenie płatów wzglħdem wieŇy; niemal zawsze płaty sĢ osadzone na wirniku po nawietrznej stronie masztu,

dziħki czemu nie sĢ zasłoniħte od wiatru.

PoniŇszy schemat przedstawia niektóre elementy wewnħtrznego mechanizmu turbiny wiatrowej:

Rycina 9.4: Mechanizm turbiny wiatrowej – zauwa Ň , Ň e płaty tej turbiny s Ģ umieszczone po nawietrznej stronie masztu.

ń ródło: Alliant Kids Energy

PrħdkoĻę koıców łopat jest zwykle stała, zatem im wiħksza

turbina, tym wolniej obraca siħ trzon wirnika. Z kolei prħdkoĻę

obrotu małych turbin, do wysokoĻci 3 m, jest wystarczajĢco

szybka do uzyskania czħstotliwoĻci prĢdu sieci elektrycznej bez

potrzeby poĻredniczĢcej przekładni zħbatej.

9.3 Rodzaje mikroturbin wiatrowych

Turbiny o pionowej i poziomej osi obrotu

IstniejĢ dwie główne klasy turbin wiatrowych, których płaty

obracajĢ siħ w innym kierunku, czyli wokół innych osi: o

poziomej osi obrotu (np. London Eye lub tradycyjny holenderski

wiatrak) oraz o pionowej osi obrotu (niczym karuzela).

Rycina 9.5: a) turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu (Quite Revolution 5), Ņ ródło: XC02 Low Carbon Engineering

b) turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu (Proven WT6000), Ņ ródło: Proven Energy

Rodział 9 Energia wiatru

9.4 Wielko Ļę instalacji wiatrowych

Małe turbiny wykorzystuje siħ do ładowania akumulatorów, produkcji prĢdu elektrycznego dla budynków mieszkalnych,

szkół i obiektów publicznych. Turbiny te zwykle majĢ wysokoĻę 1-15 m i wytwarzajĢ energiħ elektrycznĢ o mocy od

100W do 5 kW (5000 W). Najmniejsze z tych instalacji stosowane sĢ do ładowania akumulatorów lub zasilania

oĻwietlenia ulicznego. Nieco wiħksze, np. o mocy 500 W, stosuje siħ do ładowania duŇych akumulatorów uŇywanych w

przyczepach kempingowych i na łodziach.

Dla przeciħtnego budynku mieszkalnego najoptymalniejsze sĢ turbiny o mocy 1-2,5 kW i wielkoĻci małego człowieka.

SĢ one zwykle umieszczane na budynkach, które zasilajĢ (turbiny zintegrowane). Instalacje produkujĢce energiħ na

wiħkszĢ skalħ sĢ wykorzystywane przez szkoły i inne budynki publiczne. Zwykle montowane sĢ na masztach, w

pewnej odległoĻci od budynków.

Instalacje niezale Ň ne (wolno-stoj Ģ ce) oraz poł Ģ czone w sie ę

Małoskalowa elektrownia wiatrowa jest dobrym rozwiĢzaniem dla wytwarzania energii elektrycznej w miejscach, gdzie

jej dostarczanie przez sieę przewodów jest kosztowne (np. krajowa sieę energetyczna w Wielkiej Brytanii). Ma to

miejsce na przykład na daleko połoŇonych obszarach (małe wyspy), które nie sĢ przyłĢczone do sieci krajowej. Te

„pozasieciowe” systemy do magazynowania wytworzonej energii potrzebujĢ akumulatorów i czħsto sĢ połĢczone z

generatorami spalinowymi (na ropħ), które dostarczajĢ energii, gdy wiatr wieje z niskĢ prħdkoĻciĢ. Systemy wiatrowe

mogĢ takŇe byę stosowane tam, gdzie istnieje dostħp do sieci krajowej; w tym przypadku nie sĢ potrzebne

akumulatory. Niewykorzystana energia elektryczna moŇe byę przekazana do sieci i sprzedana przedsiħbiorstwom

energetycznym. Zysk ze sprzedaŇy pokrywa czħĻę kosztów budowy turbiny.

Rodział 9 Energia wiatru

Co wywoÿuje obrt ÿopat turbiny wiatrowej? W tym ěwiczeniu przyjrzymy siĭ, jak obracajĨ siĭ pÿaty turbiny

pod wpÿywem wiatru.

Dla kaōdego z 3 testw turbiny wiatrowej odpowiedz na pytanie 1 przed przeprowadzeniem testu. Po

przeprowadzeniu testu postaraj siĭ odpowiedzieě na pytania 2 i 3 (zapisz swoje odpowiedzi na osobnej

kartce papieru lub w zeszycie).

Pyt. 1: Jak sĨdzisz, co stanie siĭ po dmuchniĭciu powietrzem na pÿaty?

Wykonaj test:

Pyt. 2: Co siĭ staÿo?

Pyt. 3: Jak to wyjaŁnisz?

Rycina 9.5. Przeprowadŋ testy 1 i 3 jak zalecono wyōej (ěwiczenie 9.1a)

Rodział 9 Energia wiatru

Konstrukcja ÿopat, w szczeglnoŁci ich ustawienie (skrĭt), ma znaczenie dla wydajnoŁci dziaÿania

turbiny. To ěwiczenie pokazuje, w jaki sposb ustawienie pÿatw moōe wpÿywaě na konstrukcjĭ turbin

wiatrowych.

1. Skonstruowaě dziaÿajĨcy mechanizm wirnika i pÿatw

2. Dowiedzieě siĭ, ōe ruch obrotowy wirnika odbywa siĭ dziĭki odpowiedniemu ustawieniu pÿatw.

suszarka do wÿosw, piasta, koÿki, plastik falisty, koralik, patyk, drut do robtek rĭcznych.

1. Naleōy zademonstrowaě uczniom, w jaki sposb wykonaě mechanizm wirnika i pÿatw posÿugujĨc siĭ

rysunkiem poleciě im skonstruowaě wÿasnĨ turbinĭ.

2. Ustaw pÿaty jak do testu 1 (rwnolegle do strumienia powietrza), odpowiedz na pyt. 1, wykonaj test 1,

a nastĭpnie odpowiedz na pyt. 2 i 3 na podstawie obserwacji.

3. Uczniowie wykonujĨ test 2.

4. Uczniowie wykonujĨ test 3.

W celu sprawdzenia, czy uczniowie zrozumieli, ōe ustawienie pÿatw powoduje ruch obrotowy pod wpÿywem

wiatru, poproŁ, by ustawili je tak, aby obracaÿy siĭ w przeciwnym kierunku. ALBO

Zapytaj, dlaczego ÿopaty prawdziwej turbiny wiatrowej sĨ ustawiane rwnolegle do wiatru gdy turbina

zatrzymywana jest dla celw konserwacyjnych.

energia odnawialna, napĭd wiatrowy

: dostrzegania zwiĨzkw przyczynowo-skutkowych, testowania pomysÿw za pomocĨ wÿasnych

obserwacji i pomiarw, wyciĨgania wnioskw na podstawie obserwacji, posÿugiwania siĭ wiedzĨ do wyjaŁniania

obserwowanych zjawisk.

naukowe

7-11 lat, 2

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: